淺談變頻技術在油氣集輸系統的應用

李東波 王妮 鞏建衛 李家新

摘 要：本文介紹了在變頻器在油氣集輸過程中的節能作用，從變頻器實現電機的變速運行的主要作用，到變頻調速的節能技術原理、變頻器在油氣集輸控制中的應用和特點進行說明，隨著工業自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用，其在石油石化行業中也將有著很好的推廣應用價值。

關鍵詞：變頻器;節能;保護;安全

0 前言

油氣集輸系統使用頻率最高的設備是離心泵，離心泵啟動柜主要是以自藕減壓啟動柜和變頻器控制柜為主。自藕減壓啟動方式防護性能差，耗能高、沖擊大等缺點。隨著生產技術的不斷需求和新技術的應用發展，變頻技術日趨成熟，變頻調速已逐漸取代過去的滑差調速、變極調速、定子調速、串極調速等調速方式，變頻調速是通過改變電動機的供電頻率，來改變電機的轉速，從而改變負載的轉速、壓力、流量。在油氣集輸系統生產中變頻器充分顯現出節能方面的優越性，應用日益廣泛。

1 變頻器控制柜和自藕減壓啟動柜對比

我廠T四污水站日外輸污水總量為28 000立方左右，每小時需外輸1 167立方。使用自藕減壓啟動柜的100 kW污水泵每小時流量為750立方，實際生產中單臺污水泵的排量達不到要求，所以運行需要啟運兩臺污水泵工作，工頻運行每次開啟都滿負載750立方米/小時輸出運行，一臺滿負荷運轉，另一臺泵需要額定排量的二分之一流量，使用出口閘門控制，形成“大馬拉小車”的狀態，由于污水泵的輸出排量和壓力過大，造成泵和管道產生壓差，形成渦壓，管道壓差增大時導致電機負荷增大，電流上升，造成極大的電能浪費，同時又產生安全操作性、噪聲、沖擊管線造成穿孔、環境污染等問題。

另外，由于設備起動時的急扭和突然停機時的水錘現象易造成管道震動或穿孔刺漏，嚴重的可造成電機的線路燒壞，危及設備和操作人員的安全。這一系列的不利因素都與油田提倡的綠色、低碳、節能、減排相矛盾。

利用變頻調速運行泵機組，其優越性是顯而易見，變頻調速是利用電力半導體器件將工頻電源變換成另一頻率的電能，使電機獲得無極調速所需的電壓、電流和頻率，以得到流量和壓力可調，根據實際需求的流量和壓力來自動控制輸油（水）泵系統。而且變頻器的平穩啟動性能大大減小泵機組啟動時對機件的機械沖擊和對電機的大電流沖擊，也具有良好的節能作用，其節電率相比自藕減壓啟動柜一般在15%～30%左右。

2 油田集輸泵站用電設備采用的變頻調速運行節能技術原理

2.1 集輸站泵設備特性分析

根據離心泵特性曲線的有關公式：

P=K1Qh （1）

Q=K2n （2）

H=K3n2 （3）

由（1）、（2）、（3）式得：

P=K4n3 （4）

P/Q=K5n2 （5）

式中：K1，K2，K3，K4，K5為常數;P為泵機軸功率;Q為泵機流量;H為泵機揚程;n為泵機轉速。

（1）式中說明在相同的軸功率下，若通過出口閥門調節泵機流量，將引起泵機揚程的相應改變，流量越小，揚程變得越大，但實際輸油（污水）時，由于揚程是基本不變的，由此就產生了更多的富余揚程。

（4）式說明泵機軸功率與轉速的立方成正比，若設法降低轉速，就可以減小泵機軸功率，再由（1）可知，就可實現流量或揚程的自由調節。

（5）式說明單位時間內，排放每立方米水能耗（即功耗）與轉速立方成正比，這說明在達到實際供油（水）流量前提下，轉速越小，功耗越小。

2.2 泵站電機特性分析

根據交流電動機的工作原理：

n=60f＼p（1-s） （6）

式中：f為電機的電源頻率;p為電機的磁極對數;S為轉差率。

由于電機的S和P為常數，所以（6）式可知電機的轉速與電源頻率有固定的正比例關系。

3 變頻調速節能作用

由上述電機特性分析可知，均勻改變電機供電頻率f，就可以平滑地改變電動機的轉速，從而改變機泵的轉速;結合機泵特性分析，降低電動機轉速，電動機輸入功率隨之減少，機泵軸功率就相應減少。當改變電動機轉速可改變介質的流量，保證油壓（水壓）恒定，在降低流量的同時，可有效降低系統的電能損耗和機械能損耗。

4 變頻器在油氣生產用電設備中的作用

（1）變頻器的作用主要是調整電機的功率、實現電機的變速運行，以達到省電的目的。

（2）同時變頻器的作用可以降低電力線路電壓波動，因為電壓下降將會導致同一供電網絡中的電壓敏感設備故障跳閘或工作異常。

（3）用了變頻器后，變頻器的作用能在零頻零壓時逐步啟動，這樣能最大程度的消除電壓下降，發揮更大的優勢。

5 變頻器在油氣集輸控制用電設備中的應用變頻器的選型應滿足以下條件：

（1）電壓等級與控制電機相符。

（2）額定電流為控制電機額定電流的1.1～1.5倍。

（3）根據被控設備的負載特性選擇變頻器的類型使工作時的管路特性曲線與泵的相似工況線重合。

6 變頻調速技術在油氣生產應用需解決的問題

（1）變頻器的控制問題。這個必須解決變頻器如何適應多變的工作環境，必須提高變頻器控制技術適應不同控制的能力。

（2）變頻控制成本較高的問題。與一般控制柜相比，變頻控制的成本稍高，因而必須提高相關產品的配套能力，在保證可靠性的前提下降低成本。

7 結束語

實踐證明，變頻調速技術作為高新技術、基礎技術和節能技術，用于風機、泵類設備驅動控制場合取得了顯著的節電效果，是一種理想的調速控制方式。既提高了設備效率，又滿足了生產工藝要求，并且因此而大大減少了設備維護、維修費用，其應用已經推廣到石油行業的各個部門。

參考文獻：

[1]樊琪.關于變頻器技術的應用和節能潛力初探[J].科技視界，2012（29）：278+29.

[2]黃俊.電力電子變流技術第三版[M].北京機械工業出版社，1995.