1 引言
多年來，安川公司在石油行業(yè)積累了非常豐富的經(jīng)驗，如G7/P7/F7/G5/P5/G5HHP/VS等不同系列的變頻器都已經(jīng)在OEM商中獲得了廣泛的應(yīng)用，目前主要領(lǐng)域有離心分離機、泵、風(fēng)機、運送設(shè)備、計量設(shè)備、壓縮機等。
在石油化工行業(yè)應(yīng)用的安川變頻器具有下面幾個特點:
(1) 其NEMA 3R的封裝形式能夠經(jīng)受住油田常見的惡劣環(huán)境;
(2) 其專用的用戶化驅(qū)動軟件CASE能非常有效地工作于諸如磕頭機的往復(fù)負(fù)載，從而無須采用耗能厲害的動態(tài)制動電阻;
(3) 其優(yōu)秀的硬件設(shè)計和PC板噴涂工藝使得變頻器在油田等惡劣環(huán)境和振動率高的場合下正常工作。
本文主要介紹了安川在石油行業(yè)的幾個典型案例。
2 實現(xiàn)臥螺離心機的節(jié)能降耗
在石油行業(yè)中，經(jīng)常要用到臥螺離心機來處理原油脫水和污泥分離等工序，安川變頻器已經(jīng)成功地應(yīng)用于DERRIC公司的DE-1000系列臥螺離心機，并取得了節(jié)能降耗的效果。
臥螺離心機的原理如圖1所示，物料從進料口進入到離心機，筒體與螺旋同向低差速高速旋轉(zhuǎn)、使物料的固相、液相分離，較重顆粒的固相被離心甩到筒壁并由螺旋推出筒體外，較輕顆粒的固相或液相則從另一端管道排出。
圖1左圖中，主電機拖動的負(fù)載為筒體，副電機拖動的負(fù)載為螺旋，由于在正常作業(yè)中，主電機的速度始終高于副電機，致使副電機長期工作在發(fā)電狀態(tài)，傳統(tǒng)的方法是采用能耗嚴(yán)重的渦流制動，其相當(dāng)于剎車系統(tǒng)調(diào)速差。顯然，將這部分能量充分利用起來是非?？捎^的。
安川的方案是基于變頻器母線共聯(lián)，將副電機的電能通過兩臺變頻器之間的母線消耗到主電機的電動狀態(tài)中去，使能量通過母線在變頻器間共享，從而大大提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠程度，同時又能降低能耗，比傳統(tǒng)的渦流制動能耗節(jié)省20%～40%。安川的GPD 515/G5采用的是矢量工作方式，通過安裝編碼器，可以精確地實現(xiàn)差轉(zhuǎn)速控制，同時在料堵塞時也能提供足夠的轉(zhuǎn)矩。
采用安川變頻控制的臥螺離心機控制系統(tǒng)主要有以下特點:
(1) 人機界面HMI(一般采用PC-BASED系統(tǒng))作為主機來進行控制，包括變頻器間DeviveNet通訊、母線電壓監(jiān)測、各變頻器參數(shù)讀取和寫入、進料各點控制等;
(2) 主電機采用GPD 515G5變頻器來控制筒體的運轉(zhuǎn)，由于工作在矢量控制方式下，因此它能提供足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，克服筒體的慣量平滑啟動;
(3) 副電機也采用GPD 515G5來控制螺旋以低于主電機的速度運轉(zhuǎn)，其螺旋與轉(zhuǎn)鼓之間的速差可以根據(jù)進料的變化自動調(diào)節(jié)，在堵塞情況下，螺旋能提供足夠的轉(zhuǎn)矩將料推出、清空并再次運行;
(4) 通過共母線方式來再生能量處理，其再生能量的大小取決于筒體的轉(zhuǎn)速和筒體與螺旋的轉(zhuǎn)速差;
(5) 變頻器線路板的涂層設(shè)計配合防爆電機能使該系統(tǒng)穩(wěn)定工作在油田惡劣的環(huán)境，如水汽、腐蝕氣體、意外振動等。
通過全世界范圍內(nèi)多個油田的應(yīng)用，配備安川GPD系列變頻器的臥螺離心機都取得了明顯的效果。油田原油脫水的產(chǎn)量成十倍地提高，由于該型離心機能長時間無故障地運行，對于物料的變化，變頻器都能輕松克服并可以被自由調(diào)整輸出; 由于變頻調(diào)速節(jié)能環(huán)保和調(diào)速方便，能解決渦流制動的耗能發(fā)熱問題和液壓驅(qū)動的漏液問題，傳動的部件都能以標(biāo)準(zhǔn)件替代，因此臥螺離心機都能做到免維護運行;現(xiàn)場總線DeviceNet的應(yīng)用將變頻器的設(shè)置和監(jiān)視變得非常簡單，用戶只需在HMI上就可以得到一切傳動運行數(shù)據(jù)和設(shè)定相應(yīng)的工藝數(shù)據(jù)。實現(xiàn)輸油泵站的壓力PID控制管道輸油是將原油(或油品)加壓、加熱通過輸油管道由某地(一般是油田)輸送至另一地(一般是煉廠、碼頭等)。加壓的目的是為原油提供動能，以克服沿線地理位差及管道沿線的壓力損失; 加熱是針對“含蠟高、凝點高、粘度大”的“三高”原油而采取的措施，目的是使管道中原油的溫度始終保持在凝點以上或更高的溫度以使原油順利流動。實現(xiàn)原油的長距離輸送必須有輸油站及線路兩大部分。輸油站中包括輸油泵機組、加熱設(shè)備、計量化驗、通訊設(shè)備、儲油罐等。
在這里有一個例子介紹了安川變頻器VS616P5在俄克拉荷馬州塔爾薩輸油泵站(如圖2)中的應(yīng)用情況。該泵站的主泵是功率為110kW的往復(fù)泵，將附近各采油點的原油經(jīng)加壓后送到數(shù)公里外的煉油廠。
在原先的控制方案中，該加壓泵站是通過可編程控制器來實現(xiàn)簡單的壓力控制，即到達(dá)壓力低限時開泵、到達(dá)壓力高限時關(guān)泵。頻繁的開停動作對于大負(fù)載電機而言，將會對電網(wǎng)造成強大的沖擊，同時也對原油管路有一定的損害作用。由于采用簡單的on/off控制，導(dǎo)致輸送石油的壓力不穩(wěn)，壓力波動大，對于原油的集輸系統(tǒng)的過程控制造成一定的困難; 同時，頻繁性開關(guān)對于閥門部件、管路等造成的維修量與日俱增，嚴(yán)重時還會發(fā)生大罐抽空、管線堵塞和原油冒罐事故，對生產(chǎn)帶來大量的浪費。為了解決這些矛盾，在現(xiàn)有的原油集輸網(wǎng)絡(luò)中引進變頻調(diào)速技術(shù)，自動跟蹤調(diào)節(jié)運行狀態(tài)，已經(jīng)收到了良好的效果。
在該加壓泵站中，原來的主泵采用安川變頻器拖動后，可以方便地利用變頻器內(nèi)部集成的PID功能進行壓力閉環(huán)控制。如圖2所示，用戶管路端安裝的壓力傳感器信號直接進入變頻器的FV或FI端，變頻器就會自動計算出與設(shè)定值之間的差值，然后再控制變頻器的輸出。
使用變頻器后，該泵站不僅明顯降低了機械損耗和維護量，同時對電網(wǎng)的沖擊已經(jīng)大為減少，從原先直接啟動時電機額定電流的600%～800%降低到150%左右，功率因數(shù)也上升至98%左右。由于采用PID控制，電機的運行速度不再是再滿速空轉(zhuǎn)中，而是降低了轉(zhuǎn)速，平均運行電流從大于160A降低到116A左右(大約降低了30%)。
由于石油輸送管路潛在的高壓問題，用戶不得不裝設(shè)高于10倍常規(guī)壓力標(biāo)準(zhǔn)的壓力傳感器,因此實際采樣的電壓數(shù)值有效區(qū)域很窄，只有選擇高精度的壓力傳感器才能正常進行PID控制。同時，變頻器對拖動的負(fù)載必須進行有效地調(diào)諧以進行參數(shù)整定，使電機和水泵工作在最佳狀態(tài)。為了避免管線共振效應(yīng)，設(shè)置機械共振點也是必需的。
3 實現(xiàn)注水站離心泵的流量壓力控制
在石油工業(yè)中經(jīng)常會進行注水處理，其主要是利用注水井把水注入油層，以補充和保持油層壓力的措施稱為注水。油田投入開發(fā)后，隨著開采時間的增長，油層本身能量將不斷地被消耗，致使油層壓力不斷地下降，地下原油大量脫氣，粘度增加，油井產(chǎn)量大大減少，甚至?xí)娡．a(chǎn)，造成地下殘留大量死油采不出來。因此，為了彌補原油采出后所造成的地下虧空，保持或提高油層壓力，實現(xiàn)油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，并獲得較高的采收率，必須對油田進行注水。
在很多油田注水站的泵配置中，功率都非常大，通常采用工頻降壓啟動，且大多采用離心泵，通過節(jié)流閥來控制流量。我們知道，變頻器使用在離心泵上具有非常大的節(jié)能潛力，因此在泵設(shè)計余量充足的情況下，采取變頻調(diào)速不啻是個最優(yōu)的辦法。使用安川F7，就能輕松實現(xiàn)節(jié)能運行和抑制高次諧波。在F7的節(jié)能控制運行范圍里，它根據(jù)最大效率控制，對離心泵更能發(fā)揮超群的節(jié)能效果。
對于離心水泵的變頻調(diào)速改造有巨大的節(jié)能潛力，我們通過將F7變頻器應(yīng)用到注水站水泵，實踐證明其節(jié)能效果在30～50%，有時高達(dá)70%。為什么離心泵設(shè)備通過變頻調(diào)速調(diào)節(jié)流量有如此驚人的節(jié)能呢?在此將其原理加以闡明。如附表所示，離心泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比(公式1)，壓力與轉(zhuǎn)速平方成正比(公式2)，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比(公式3)。因此在調(diào)節(jié)流量時如降低20%的流量，功耗則會下降50%。但是必須注意，轉(zhuǎn)速與壓力是平方關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降20%壓力則會下降到64%，因此必須要注意工藝要求。
通常離心泵類設(shè)備傳統(tǒng)的風(fēng)量、流量風(fēng)門控制的，大量的能源耗在風(fēng)門或截流閥的阻力上，風(fēng)門或截流閥控制流量的功耗與流量關(guān)系見(公式4)。比較截流閥控制與變頻調(diào)速調(diào)節(jié)，可以看到在流量變化范圍，采用變頻調(diào)速的方法具有很大的節(jié)能潛力，因此在油田其他供水泵上進行變頻改造同樣會取得很大的節(jié)能效果。
4 結(jié)束語
本文重點介紹了安川變頻器在石油工業(yè)中的幾個典型應(yīng)用，它能方便地調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，并在一定程度上節(jié)約能耗，非常適合油田和化工環(huán)境惡劣的場合使用。
（轉(zhuǎn)載）
