變頻設(shè)備的合理應(yīng)用(龔潔論文)

PAGEPAGE102012年大港油田節(jié)能節(jié)水論文題目：變頻設(shè)備的合理應(yīng)用作者姓名：龔潔作者單位：大港油田采油三廠電力管理中心論文完成時(shí)間：2012年04月26日變頻設(shè)備的合理應(yīng)用摘要：通過變頻調(diào)參與自動(dòng)控制，可以使所帶負(fù)載各項(xiàng)參數(shù)保持穩(wěn)定，同時(shí)輸出功率始終與負(fù)載功率保持一致，消除“大馬拉小車”所導(dǎo)致的電能浪費(fèi)，但變頻設(shè)備也有一定的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間，在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間以外，不僅浪費(fèi)電能，極端情況下，甚至不能達(dá)到調(diào)參的目的。本文第一部分介紹了變頻自身的耗電原因。第二部分結(jié)合油田實(shí)際，對變頻設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)行探討。第三部分介紹了變頻與自動(dòng)調(diào)溫裝置相結(jié)合在井口、大站加熱爐燃油系統(tǒng)管道電加熱棒的應(yīng)用關(guān)鍵字：變頻自身損耗變頻經(jīng)濟(jì)運(yùn)行變頻與自動(dòng)調(diào)溫裝置相結(jié)合在井口、大站加熱爐燃油系統(tǒng)的應(yīng)用前言采油三廠現(xiàn)有各類變頻裝置280余臺(tái)，涵蓋采、注、輸、摻、電加熱等各系統(tǒng)，是自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的核心部件。通過變頻調(diào)速與自動(dòng)控制，使系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)保持穩(wěn)定，同時(shí)變頻輸出功率始終與負(fù)載功率保持一致，消除了機(jī)泵“大馬拉小車”所導(dǎo)致的電能浪費(fèi)。但變頻設(shè)備也有一定的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間，在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間以外，由于變頻及機(jī)泵設(shè)備空載損耗在整個(gè)系統(tǒng)中所占比例較大，導(dǎo)致變頻系統(tǒng)的節(jié)能作用降低，嚴(yán)重情況下，不僅浪費(fèi)電能，甚至不能達(dá)到調(diào)參的目的。為了充分發(fā)揮變頻的調(diào)參與節(jié)能作用，延長變頻與機(jī)泵設(shè)備的使用壽命，本文結(jié)合油田實(shí)際介紹了變頻設(shè)備在各種負(fù)載下經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的條件及注意事項(xiàng)，同時(shí)著重介紹了采油三廠與相關(guān)單位共同研制的變頻與自動(dòng)調(diào)溫裝置相結(jié)合在管道加熱系統(tǒng)的應(yīng)用，重點(diǎn)解決高耗能電加熱器設(shè)備因?yàn)榧訜釡囟?、加熱功率不能自?dòng)調(diào)整所導(dǎo)致的電能浪費(fèi)。第一部分變頻自身損耗一、變頻自身損耗的構(gòu)成變頻主機(jī)的作用是改變電源供電方式，即將額定電壓380V、額定頻率50Hz的三相交流電，通過整流——逆變，為負(fù)載提供一個(gè)頻率與電壓都連續(xù)可調(diào)的三相交流電源。在整流——逆變，以及制動(dòng)過程中都要消耗熱能，通過風(fēng)機(jī)散熱還要消耗風(fēng)能。變頻的自身損耗主要是熱能，熱能的消耗主要在逆變環(huán)節(jié)，而逆變環(huán)節(jié)耗能的多少又跟負(fù)載的運(yùn)行電流與變頻的載波頻率有關(guān)。負(fù)載運(yùn)行電流越高，逆變環(huán)節(jié)甚至整個(gè)變頻主機(jī)的耗熱量越高，而載波頻率產(chǎn)生的熱量相對穩(wěn)定。對于每一臺(tái)變頻，載波頻率一旦設(shè)定，在運(yùn)行過程中不會(huì)改變。但載波頻率設(shè)定值越高，IGBT管的開關(guān)速度越快，其消耗的功率與發(fā)熱量也越高。目前常用的G11S/P11S系列變頻設(shè)備的載波頻率一般在0.75kHz—15kHz，即IGBT管每秒鐘的開關(guān)次數(shù)達(dá)到750—15000次。載波頻率設(shè)定值小，輸出電流波形變差（高次諧波分量增加），電動(dòng)機(jī)損耗增加，電動(dòng)機(jī)溫度增高。例如設(shè)定0.75kHz，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩約減小15%。載波頻率設(shè)定值大時(shí)，IGBT管開關(guān)次數(shù)增加，變頻器損耗增加，變頻主機(jī)溫度增高。風(fēng)能主要用于變頻主機(jī)散熱，根據(jù)主機(jī)功率的大小不同，風(fēng)扇的裝機(jī)數(shù)量與裝機(jī)功率也不相同，主機(jī)功率越大，風(fēng)扇個(gè)數(shù)越多，裝機(jī)功率越大。以185kw注水泵變頻為例，配備220V與24V風(fēng)扇各4個(gè)，裝機(jī)功率150w左右。二、幾種常見變頻的自身損耗（一）帶注水泵時(shí)變頻的自身損耗注1在變頻50Hz滿負(fù)荷運(yùn)行與工頻運(yùn)行相比，多消耗功率5.5kw，單耗增加0.42kw.h/m3，折合每天多消耗電量220kw.h。（見下表）。帶電泵井離心泵時(shí)變頻的自身損耗在14-8-3井電泵變頻計(jì)量對比，變頻50Hz滿負(fù)荷運(yùn)行與工頻運(yùn)行相比，每天多消耗440kw.h，折合消耗功率高18.3kw，噸液單耗增加5.4kw.h/m3。注1：由于不具備實(shí)驗(yàn)室檢測條件，通過變頻生產(chǎn)廠家也無法得到變頻主機(jī)在各種工況、各種頻率運(yùn)行條件下的自身損耗，目前只能通過現(xiàn)場檢測與電力計(jì)量數(shù)據(jù)來初步掌握變頻主機(jī)的自身損耗。第二部分變頻經(jīng)濟(jì)運(yùn)行變頻帶地面泵類負(fù)載時(shí)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行通過官二聯(lián)9#注水泵檢測對比（見下表），在相同壓力條件下，變頻的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間在25-40Hz，擴(kuò)大范圍在20-45Hz，在不同頻率區(qū)間時(shí)的狀況如下。1、當(dāng)運(yùn)行頻率低于20Hz時(shí)，泵的排量較低，負(fù)載消耗功率較低，但變頻與機(jī)泵設(shè)備的自身損耗占整個(gè)系統(tǒng)消耗功率的比重較高，導(dǎo)致注水單耗大幅增加。以上表為例，與30-40Hz單耗對比，增加0.78-0.99kw.h/m3。2、當(dāng)運(yùn)行頻率在30-40Hz時(shí)，泵的排量較高，負(fù)載消耗功率較低，單耗較低且變化范圍較小，變頻調(diào)參與節(jié)能效果最佳。3、當(dāng)運(yùn)行頻率在47Hz時(shí)，泵的排量接近變頻最大值，與工頻運(yùn)行排量對比相差較大，而消耗功率與工頻運(yùn)行消耗功率基本持平。4、當(dāng)47Hz<運(yùn)行頻率<50Hz時(shí)，變頻調(diào)參范圍極小（泵的排量變化極?。姨幱诶速M(fèi)電能的狀態(tài)（負(fù)載消耗功率大幅增加，多消耗的電能>調(diào)參節(jié)能量）。5、50Hz滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，變頻失去調(diào)參作用，且浪費(fèi)電能最大，此時(shí)變頻器成為一個(gè)完完全全的用電器。變頻帶井筒舉升泵類負(fù)載時(shí)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行通過小14-8-3電泵井電力自動(dòng)計(jì)量數(shù)據(jù)對比（見下表），在相同油壓條件下，變頻的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間在35-43Hz左右，擴(kuò)大范圍在30-45Hz，在不同頻率區(qū)間時(shí)的狀況如下。1、當(dāng)運(yùn)行頻率低于30Hz左右時(shí)，由于泵的實(shí)際揚(yáng)程大幅度降低，不能將液體舉升到井口，產(chǎn)液量為零，單耗為零。注22、當(dāng)運(yùn)行頻率在35-43Hz時(shí)，泵的排量較高，負(fù)載消耗功率較低，單耗較低且變化范圍較小，變頻調(diào)參與節(jié)能效果最佳。3、當(dāng)運(yùn)行頻率在46-47Hz時(shí)，泵的排量與耗電量以及產(chǎn)液單耗與工頻運(yùn)行持平。4、當(dāng)47Hz<運(yùn)行頻率<50Hz時(shí)，變頻調(diào)參范圍極?。ū玫呐帕孔兓瘶O?。?，且處于浪費(fèi)電能的狀態(tài)（負(fù)載消耗功率大幅增加，多消耗的電能>調(diào)參節(jié)能量）。5、50Hz滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，變頻失去調(diào)參作用，且消耗功率大幅增加，浪費(fèi)電能最多，此時(shí)變頻器成為一個(gè)完完全全的用電器。注2：由于每口井的額定揚(yáng)程與泵掛深度不同，其井口不出液體的最低頻率也略有不同。變頻高、低頻（經(jīng)濟(jì)區(qū)間外）運(yùn)行對設(shè)備的影響1、高頻（接近或達(dá)到額定頻率）運(yùn)行對設(shè)備的影響。變頻高頻運(yùn)行時(shí)，主要對變頻主機(jī)產(chǎn)生高溫，使主機(jī)壽命嚴(yán)重下降。其主要原因是，隨著運(yùn)行頻率上升，負(fù)載運(yùn)行電流增加，通過變頻主機(jī)的運(yùn)行電流同樣增加，而導(dǎo)致開關(guān)管及其它部件耗熱量增加。2、低頻運(yùn)行對設(shè)備的影響。而變頻低頻運(yùn)行時(shí)，主要使電機(jī)產(chǎn)生高溫，使電機(jī)壽命下降。其原因是低頻運(yùn)行時(shí)一方面高次諧波增加，導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱量增加，另一方面電機(jī)轉(zhuǎn)速過慢、風(fēng)扇散熱不良，導(dǎo)致電機(jī)溫度升高。第三部分變頻與自動(dòng)調(diào)溫裝置相結(jié)合在管道加熱系統(tǒng)的應(yīng)用一、管道電加熱器應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問題采油三廠現(xiàn)有井口及大站加熱爐燃油系統(tǒng)用管道電加熱器近110臺(tái)（僅09年4月南采開發(fā)公司所轄油井劃歸三廠既新增井口管道電加熱器23臺(tái)），冬季日耗電量達(dá)7萬度（含線路網(wǎng)損與上級(jí)網(wǎng)損），夏季達(dá)1.5萬度，年耗電量達(dá)1500萬度，是典型的高耗能設(shè)備。應(yīng)用特點(diǎn)加熱功率的大小與運(yùn)行電壓有關(guān)，電壓越高，耗電功率越高。電加熱器采用渦流感應(yīng)原理加熱，加熱功率與電壓成正比。電壓每提高1%，加熱功率提高2%。以官84-8井為例，相電壓258V（系統(tǒng)電壓較高，調(diào)到一檔后電壓下降到242V），額定功率20kw的電加熱棒實(shí)際加熱功率達(dá)到30kw（HS—8型電力測試儀檢測結(jié)果），與額定工況對比，每天多耗電量240kw.h，綜合線路網(wǎng)損與上級(jí)網(wǎng)損，日耗電量增加272kw.h。受地方水井階段性用電影響，南部電網(wǎng)系統(tǒng)電壓整體波動(dòng)較大，不允許頻繁停井調(diào)電壓。（見下表）2、額定功率是指電壓為370V時(shí)的功率，也就是說，在電網(wǎng)電壓380V時(shí)，其實(shí)際功率已經(jīng)超過額定功率的6%。3、控制方式落后，導(dǎo)致電能浪費(fèi)。目前管道電加熱器都采用溫度控制，分單一設(shè)定值與上下限設(shè)定兩種控制方式。（1）單一設(shè)定值控制。即指針式溫控器控制，加熱器的啟、停僅受一個(gè)設(shè)定值控制，超過該設(shè)定值即加熱運(yùn)行，低于該設(shè)定值停止加熱。（2）上下限設(shè)定值控制。即設(shè)定上限、下限兩個(gè)溫度，當(dāng)加熱溫度高于上限值時(shí)停止加熱，低于下限值時(shí)加熱啟動(dòng)。兩種控制方式存在同樣問題，即：首先是不能適應(yīng)氣溫變化，為確保原油的平穩(wěn)輸送，控制溫度的設(shè)定值都是以滿足夜間最低的環(huán)境溫度為標(biāo)準(zhǔn)，這就導(dǎo)致在白天氣溫較高時(shí)存在部分加熱浪費(fèi)，直接表現(xiàn)為產(chǎn)出液加熱溫度過高，回油溫度過高。同時(shí)，電加熱器的加熱功率不能調(diào)整，在溫度設(shè)定值超出實(shí)際需求溫度時(shí)，過高的加熱功率使電加熱器頻繁啟、停，與氣溫相差越大，熱量散失越多。控制管道電加熱器用電所采取的措施1、采用自動(dòng)管道加熱器與真空相變爐取代井口電加熱棒，但具有一定的局限性。（1）兩種設(shè)備都依托單井套管氣加熱，受氣量的影響較大，進(jìn)入冬季部分井凝析氣減少，需要重啟電加熱棒加熱，仍然導(dǎo)致電能浪費(fèi)。（2）當(dāng)氣量逐漸減少時(shí)，點(diǎn)火難度增加，火焰燃燒的可靠性下降，存在安全隱患，08年作業(yè)六區(qū)因此問題多臺(tái)燃?xì)鉅t長期停運(yùn)。（3）價(jià)格較高，維護(hù)難度較大。自動(dòng)管道加熱器單價(jià)在2萬元左右，真空相變爐單價(jià)在7.5萬元左右（注3），兩種加熱爐通過明火直接或間接加熱，燃燒溫度較高，易損件較多，維護(hù)成本及難度較大。采油三廠從2005年陸續(xù)推廣應(yīng)用此兩種產(chǎn)品，到08年底即有5臺(tái)自動(dòng)管道加熱器、3臺(tái)真空相變爐報(bào)廢，6臺(tái)管道加熱器、6臺(tái)相變爐待修。2、加強(qiáng)管理，縮短電加熱器運(yùn)行時(shí)間。多年以來，盡管工藝、電力部門及基層管理班站通過加密溫度設(shè)定值的調(diào)整次數(shù)來減少氣溫的影響，但根本無法適應(yīng)24小時(shí)甚至更長時(shí)間內(nèi)環(huán)境溫度的變化所造成的溫度損失，且受人為因素的影響極大。注3：該數(shù)據(jù)摘自2006年大港油田電力論文匯編。二、變頻與自動(dòng)調(diào)溫裝置相結(jié)合在井口、大站加熱爐燃油系統(tǒng)的應(yīng)用盡管通過大量的工作，使目前的管道電加熱器總量較往年已經(jīng)明顯減少，但由于部分油井原油物性差，始終不能徹底停用電加熱，為使用電更加合理，需要依據(jù)氣溫變化，研制能夠自動(dòng)調(diào)整加熱控制溫度與加熱器運(yùn)行功率的辦法與技術(shù)手段。采油三廠電力管理中心技術(shù)人員經(jīng)過近四個(gè)月的探索，反復(fù)試驗(yàn)與改進(jìn)，已經(jīng)研制成功包括依據(jù)大氣溫度自動(dòng)調(diào)整設(shè)定溫度的工頻加熱柜，依據(jù)大氣溫度自動(dòng)調(diào)整設(shè)定溫度與加熱功率的可控硅調(diào)壓調(diào)功率控制柜，依據(jù)大氣溫度自動(dòng)調(diào)整設(shè)定溫度與加熱功率的變頻控制柜等系列產(chǎn)品。因電加熱器變頻恒溫控制柜具有技術(shù)最成熟、運(yùn)行最穩(wěn)定、節(jié)能效果最佳，以及具有現(xiàn)成的維護(hù)網(wǎng)絡(luò)等多重特點(diǎn)，在此進(jìn)行重點(diǎn)介紹。（一）電加熱器變頻恒溫（使站上回油溫度基本保持恒定）控制技術(shù)的特點(diǎn)電加熱恒溫變頻控制技術(shù)以常規(guī)變頻器為核心，用兩個(gè)溫度傳感器分別采集大氣溫度與電加熱器出口溫度，兩個(gè)PID調(diào)節(jié)器對溫度信號(hào)進(jìn)行處理：當(dāng)大氣溫度變化時(shí)，電加熱出口設(shè)定溫度值相應(yīng)調(diào)整（呈反比例對應(yīng)關(guān)系），變頻器根據(jù)電加熱出口設(shè)定溫度與實(shí)際溫度的差值情況相應(yīng)調(diào)整輸出功率，最終實(shí)現(xiàn)回油溫度基本保持穩(wěn)定。電加熱器變頻恒溫加熱，徹底解決了單一設(shè)定溫度值不能與大氣溫度相適應(yīng)的問題，隨著氣溫的升高，加熱功率隨之降低，管線內(nèi)原油溫度隨著氣溫的變化可相應(yīng)變化，消除了多余電能損耗。電加熱器變頻恒溫控制現(xiàn)場應(yīng)用效果通過家39-63井23天時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果表明，與常規(guī)電加熱器（家43-61）控制方式相比，平均日節(jié)電量209.7kw.h（計(jì)量數(shù)據(jù)為電力自動(dòng)計(jì)量與傳輸數(shù)據(jù)），節(jié)電率達(dá)55.8%（兩臺(tái)電加熱棒額定功率均為20kw，處于同一區(qū)塊、同一條供電線路、管線距離基本相等，其原油物性相近、運(yùn)行電壓相等、管線散熱相近。經(jīng)檢測，在工頻運(yùn)行時(shí)，實(shí)際加熱功率同為23kw，日耗電量均在550kw.h）。在家39-63井完全依據(jù)氣溫變化自動(dòng)控制設(shè)定溫度與加熱功率，至4月27日日均耗電為165.3kw.h（從4月5日日耗電380kw.h下降到最低一天4月15日僅43kw.h；與3月上旬對比，日耗電量下降500kw.h）。而同期家43-61采用常規(guī)電加熱控制，日均耗電量為375.9kw.h（從4月5日的524kw.h降到4月19日的最低值270kw.h）。（三）效益分析該產(chǎn)品采用30kw常規(guī)變頻，可適應(yīng)常規(guī)20kw與30kw兩種管道電加熱器，因具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，單臺(tái)價(jià)格低于2.5萬元，按單臺(tái)日節(jié)電220度計(jì)算（平均節(jié)電率40%），單井年可節(jié)電8萬度（不含線路網(wǎng)損與上級(jí)網(wǎng)損），折合電費(fèi)5.48萬元。投資回收期僅0.45年。因電加熱器采用變頻啟動(dòng)無沖擊電流，運(yùn)行電流平穩(wěn)，使電加熱器與變頻器的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過燃?xì)鉅t等節(jié)能產(chǎn)品的使用壽命，而運(yùn)行條件不受任何限制。采油三廠全廠推廣應(yīng)用，年節(jié)電規(guī)模可達(dá)500--600萬度，在整個(gè)石油系統(tǒng)推廣應(yīng)用，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)論：檢測與計(jì)量結(jié)果表明，變頻在不同條件下使用，具有不同的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間，根據(jù)用途不同，要合理的配備與使用變頻。1、地面泵類負(fù)載采用變頻電源時(shí)，應(yīng)注意優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)與泵的組合，使變頻在經(jīng)濟(jì)區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，禁止47Hz以上高頻與20Hz以下低頻運(yùn)行。2、電泵井采用變頻電源時(shí)，因電泵變頻具有造價(jià)高，調(diào)頻