石化和化學工業(yè)是國民經(jīng)濟重要的支柱產(chǎn)業(yè)和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，為國民經(jīng)濟及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供能源、基礎(chǔ)原材料及農(nóng)用化學品等，與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運 輸、國防科技以及百姓吃穿住行等各個領(lǐng)域密切相關(guān)，具有資源資金技術(shù)密集、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高、經(jīng)濟總量大、產(chǎn)品應用范圍廣的特點，對促進相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級，拉動經(jīng) 濟增長具有十分重要的作用。“十一五”末期，全行業(yè)產(chǎn)值占整個工業(yè)的比重約11%。
“十一五”期間，我國經(jīng)濟社會發(fā)展取得了巨大成就， 也同樣促進了石化和化學工業(yè)前所未有的發(fā)展。目前，我國已成為世界石化和化工生產(chǎn)和消費大國。成品油、乙烯、合成樹脂、無機原料、化肥、農(nóng)藥等重要大宗產(chǎn) 品產(chǎn)量位居世界前列。行業(yè)各項主要經(jīng)濟指標大幅增長，經(jīng)受了國際金融危機的嚴峻考驗，結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐加快，產(chǎn)業(yè)規(guī)模進一步擴大，自主創(chuàng)新能力不斷增強，技術(shù) 裝備水平明顯提高，質(zhì)量效益穩(wěn)步提升。2010年千萬噸級煉廠已達20個，形成6個百萬噸級乙烯生產(chǎn)企業(yè)，形成24個百萬噸級大型化肥生產(chǎn)企業(yè)。大型石化 化工企業(yè)集團國際化步伐加快，綜合實力進一步提升，有4家企業(yè)進入世界500強。一批創(chuàng)新能力強、專業(yè)特色突出、生態(tài)環(huán)境友好的新興化工企業(yè)進一步成長。
但是在產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時，石化和化學工業(yè)積累的矛盾和問題日益突出，產(chǎn)能增長過快，產(chǎn)業(yè)布局不盡合理，安全環(huán)保隱患突出，高端產(chǎn)品比重仍然偏低，行業(yè)發(fā)展模式急需轉(zhuǎn)變。
石化和化學工業(yè)作為國民經(jīng)濟的支柱，既承擔為社會提供能源和化工燃料的責任，又肩負節(jié)能降耗的重任。我國石化行業(yè)目前仍以生產(chǎn)基礎(chǔ)原材料為主的產(chǎn)業(yè)結(jié) 構(gòu)，能源消耗較高、污染物排放量較大，是能耗和排污大戶。由于歷史原因，國內(nèi)石化工業(yè)的工藝技術(shù)、裝備和管理水平參差不齊，規(guī)模大小不一、配套程度各異， 加工與產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)與國際先進水平仍然有顯著的差異。目前我國石化產(chǎn)品單位能耗比國際先進水平高出10%-25%，面臨較大的節(jié)能減排壓力。這些差距從另 一方面來講也恰恰是節(jié)能工作的潛力與重點所在，在節(jié)能、環(huán)保、效益等方面還有較大甚至很大的潛力可挖。通過節(jié)能減排中關(guān)鍵技術(shù)的突破升級和積極推廣應用， 不僅可實現(xiàn)企業(yè)自身節(jié)能減排技術(shù)的更新?lián)Q代，還可以帶動整個行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)水平的提高。
為了保持競爭力，石化化學工業(yè)企業(yè)都希望通過 降低能源消耗，降低生產(chǎn)成本、提高效率，將產(chǎn)品保持在較低的價格水平。在石化企業(yè)中應用了大量的風機、泵類、壓縮機和別的生產(chǎn)機械，由于設(shè)計和選型時存在 余量，這些設(shè)備都不是在最大效率下運行，浪費的能量不可小視。摒棄落后的傳統(tǒng)的耗能節(jié)流調(diào)節(jié)方式，推廣變頻調(diào)速技術(shù)，用變頻器對這些設(shè)備進行調(diào)速控制，可節(jié)省大量的電能，對節(jié)能降耗，經(jīng)濟效益的提高具有重大意義。
石化和化工行業(yè)變頻節(jié)電技術(shù)主要應用于以下幾類機械：
1、風機在石化和化工行業(yè)中使用廣泛，普遍存在設(shè)計時的過風量問題。在風量需要調(diào)節(jié)時普遍采用節(jié)流方法，即風道擋板或進口風門調(diào)節(jié)方式，而這樣會造成不 必要的損耗，使用變頻調(diào)速器后，可根據(jù)實際需要方便地調(diào)節(jié)，由于省去了不必要的損耗，同時又提高了功率因數(shù)，其綜合節(jié)電率都在30%以上。
2、泵類在石化和化工行業(yè)中，液料的輸送都離不開泵。大多情況下都需對流量(壓力)進行調(diào)節(jié)，以往都是采用節(jié)流閥門(定壓泵)或分流閥門(定容積泵)調(diào)節(jié)流量，節(jié)流損失或分流損失都是多余的功耗，如采用變頻調(diào)速器直接調(diào)節(jié)泵的壓力、流量，即可節(jié)約20%以上的電能。
3、機械調(diào)速類，以往需要調(diào)速的機械中如：擠壓機、物料進給調(diào)節(jié)、傳送帶等基本上采用滑差調(diào)節(jié)電機、三相整流子電機或直流電機調(diào)速，調(diào)速電機的速度調(diào)節(jié)性能不好，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，故障率高，而且效率低。而直流電機和整流子電機結(jié)構(gòu)復雜，故障率高，維修費用高，由于其工作時會產(chǎn)生火花，極不安全。而且以上這些電機調(diào)速穩(wěn)定性差，如用異步電機加變頻調(diào)速器替代以上這類電機，節(jié)能在15%左右，提高了效率，維修量減小，而且安全，可靠，投資回報期短，對提高企業(yè)經(jīng)濟效益極為有利。
4、其他類：攪拌機、離心分離機，噴霧器、壓縮機等。以上所列設(shè)備，如采用變頻調(diào)速器既可節(jié)電又可提高工藝水平，滿足生產(chǎn)需要，取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
變頻調(diào)速技術(shù)是目前世界公認的電機節(jié)電技術(shù)之一，具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動態(tài)響應快、運行效率高、系統(tǒng)功率因數(shù)高、操作方便等一系列優(yōu)點，也成為 當今改造傳統(tǒng)工業(yè)、改善工藝流程、提高生產(chǎn)過程自動化水平、提高產(chǎn)品質(zhì)量、推動技術(shù)進步的主要手段之一。在石油行業(yè)中，變頻器廣泛應用于風機、注水泵、壓縮機、輸油泵、抽油機、潛油電泵和石油鉆機等。
1、游梁式抽油機
目前，在油田采用的抽油設(shè)備中，以游梁式抽油機最為普遍，數(shù)量也最多。
一方面，游梁式抽油機運動為反復上下提升，一個沖程提升一次，其動力來自電動機帶動的兩個重量相當大的鋼質(zhì)滑塊，當滑塊提升時，類似杠桿作用，將采油機 桿送入井中;滑塊下降時，采油桿提出帶油至井口。由于電動機轉(zhuǎn)速一定，滑塊下降過程中，負荷減輕，電動機拖動產(chǎn)生的能量無法被負載吸收。另一方面，游梁式 抽油機引入兩個大質(zhì)量的鋼質(zhì)滑塊，導致抽油機的起動沖擊大等問題。
除上述兩方面問題外，油田采油的特殊地理環(huán)境決定了采油設(shè)備有其獨特 的運行特點：在油井開采前期儲油量大，供液足，為提高功效可采用工頻運行，保證較高產(chǎn)油量;在中后期，由于石油儲量減少，易造成供液不足，電動機若仍工頻 運行，勢必浪費電能，造成不必要損耗，這時須考慮實際工作情況，適當降低電動機轉(zhuǎn)速，減少沖程，有效提高充盈率。
目前，對游梁式抽油機的交流變頻調(diào)速技術(shù)改造主要有以下3個方面：
(1) 以提高電網(wǎng)質(zhì)量、減小對電網(wǎng)影響為目標的變頻改造。這主要集中在供電企業(yè)對電網(wǎng)質(zhì)量要求較高的場合，為避免電網(wǎng)質(zhì)量的下降，需引入變頻控制，其主要目的就是減小抽油機工作過程對電網(wǎng)的影響。
(2) 以節(jié)能為目的變頻改造。這點較為普遍，一方面，油田抽油機為克服大的起動轉(zhuǎn)矩，采用的電動機遠遠大于實際所需功率，工作時電動機利用率一般為 20%～30%，最高不會超過50%，電動機常處于輕載狀態(tài)，造成資源浪費。另一方面，抽油機工作情況的變化，取決于地底下的狀態(tài)，若電動機始終處于工頻 運行，也會造成電能浪費。為了節(jié)能，提高電動機工作效率，需進行變頻改造。
(3) 改變采油桿上行和下行的速度，在一些情況下可以提高生產(chǎn)效率。
在實際應用過程中出現(xiàn)了許多問題，主要集中在游梁式抽油機發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生能量的處理上。對于上述情況，采用普通變頻器加能耗制動單元和制動電阻可以實現(xiàn)，這是以消耗電能為代價的制動方式。對于上述情況，必須妥善處理電動機發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能，將其反饋到電網(wǎng)或數(shù)臺抽油機變頻器構(gòu)成直流母線式，使這部分能量能得到充分的利用。
2、潛油電泵
油田中應用較多的另一種采油設(shè)備是潛油電泵，它是井下工作的多級離心泵，同油管一起放入油井內(nèi)，地面電源通過變壓器、控制器和潛油電泵專用電纜將電能輸送給井下潛油電泵電動機，把油井中的液體輸送到地面。
由于潛油電泵在地下兩千多米的井底工作，環(huán)境非常惡劣(高溫、強腐蝕等)，傳統(tǒng)供電方式工頻1140伏全壓，運行故障頻繁，維護成本高。一方面，潛油電 泵在工頻啟動時，啟動電流大，電動機電纜壓降較大;線路分布參數(shù)的影響，使得啟動過程中反壓較高，容易損壞電纜和電機的絕緣性，影響使用壽命。潛油電泵損 壞后提到地面上修理，僅工程費一項就達5萬元，價值10萬元的電纜平均提上放下5次就須更換，潛油電泵平均每10個月就須維修一次，維修費用約8萬元，成 本較高。另一方面，潛油電泵在正常工作時，普遍存在著電動機負載率較低情況，“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴重。負載率低導致電機功率因數(shù)較低。工頻工作時，始終在 額定轉(zhuǎn)速下，如井下油量供不應求，容易造成“死井”，則損失慘重。為解決該問題，潛油電泵應能根據(jù)井下情況變化，調(diào)節(jié)抽油量。傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式是靠更換油嘴調(diào) 節(jié)產(chǎn)量，既造成能量損失又不能精確控制，有時使得油泵長期額定轉(zhuǎn)速運行;有時使得油井出沙嚴重，設(shè)備壽命縮短，因而有必要引入交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)油壓、調(diào)節(jié)產(chǎn)量。
3、注水泵
油田開發(fā)過程中地層能量不斷衰減，常用注水方式以保持地層能量，進行油田開發(fā)。一方面，注水壓力高低是決定油田合理開發(fā)和地面管線及設(shè)備狀態(tài)的重要參數(shù)?？紤]到后期開發(fā)注水井的增多，注水工藝設(shè)計和機電設(shè)備配置都比實際寬裕，加之地質(zhì)情況的變化，開關(guān)井 數(shù)的增減，洗井及供水不足的影響，經(jīng)常引起注水壓力的波動，注水量不均勻、不穩(wěn)定。注水壓力控制難度大，也給油田生產(chǎn)和管理帶來諸多不便，因而要求油田注 水壓力恒定。另一方面，由于儲油地層壓力及油氣水分布不斷發(fā)生變化，其數(shù)值很難準確預測和控制，考慮到油田開發(fā)中的需要，在工藝和機電設(shè)備配置上都按照油 田最大可能需求設(shè)計，這點在注水系統(tǒng)設(shè)計中尤為突出。油田注水設(shè)備多采用高壓離心泵匹配高壓電動機，大功率系統(tǒng)運行常是“大馬拉小車”，效率低下。注水量 和注水壓力用出口閥門手動調(diào)節(jié)，這種節(jié)流控制方式簡單但耗能。
目前變頻調(diào)速技術(shù)在注水系統(tǒng)中主要應用在供水水源井潛油電泵、注水站注水泵、配水間增壓泵工藝中。應用變頻調(diào)速技術(shù)，對注水設(shè)備的電動機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)， 達到穩(wěn)壓、穩(wěn)流供注水。同時軟起軟停功能代替減壓啟動，使電動機起停平穩(wěn)，減少對電網(wǎng)和機械設(shè)備的沖擊，不會造成管網(wǎng)壓力、流量、流速劇烈變化，無需閥門 節(jié)流，因此對防止汽蝕、水擊、喘振極為有利，可延長管網(wǎng)、泵、閥門維修周期和使用壽命。
4、油氣集輸
在油田生產(chǎn)中， 與注水泵類似，輸油泵額定排量往往大于實際需要排量，出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象。一方面，如完全采用閥門調(diào)節(jié)輸油量，一旦油量變化較快，輸油閥門調(diào)節(jié)頻繁， 增加了工作人員勞動強度且所需人員也較多。若閥門調(diào)節(jié)不當，易造成被抽干或冒罐現(xiàn)象，泵出現(xiàn)干抽燒損，冒罐則造成原油白白浪費。另一方面，為保證輸出油量 恒定，需保證管壓恒定，閥門開度直接影響到管壓。如使用變頻調(diào)速器，可徹底解決該問題。它通過減小電動機電源頻率實現(xiàn)降低電動機轉(zhuǎn)速。電動機帶動泵運行， 轉(zhuǎn)速降低，對于柱塞泵，就是降低了柱塞運行頻率，減小泵實際排量;對于離心泵，降低了葉輪轉(zhuǎn)速，同樣降低泵排量。因此，當需排量變化時，可通過調(diào)節(jié)變頻器 輸出頻率，達到控制排量的目的，保證管壓恒定。泵排量降低，電動機負荷也隨之減小，這樣電動機輸出功率亦減小，效率可大大提高，達到節(jié)能目的。
5、電驅(qū)鉆機
由于石油特殊行業(yè)背景，決定了石油鉆機有其本身特點。整個鉆井過程的復雜性決定了電動機電控系統(tǒng)的復雜性和多樣性。當前常用機電傳動系統(tǒng)按其驅(qū)動電動機類型分為直流傳動和交流傳動兩大類，目前發(fā)展為SCR傳動系統(tǒng)和交流變頻傳動系統(tǒng)。SCR電傳動系統(tǒng)是柴油機驅(qū)動交流發(fā)電機，發(fā)電機發(fā)出的交流電通過SCR整流裝置，將交流電變換為可控的直流電控制直流電動機，由直流電動機驅(qū)動絞車、轉(zhuǎn)盤及泥漿泵等;交流變頻傳動系 統(tǒng)是柴油機驅(qū)動交流發(fā)電機，發(fā)電機發(fā)出的交流電通過變頻裝置，將交流電變換為可大范圍調(diào)整頻率的交流電，控制交流變頻電動機，驅(qū)動絞車、轉(zhuǎn)盤及鉆井泵等。 一方面，交流變頻電傳動鉆機的絞車、轉(zhuǎn)盤可實現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速范圍寬，這樣不僅可去掉絞車、轉(zhuǎn)盤內(nèi)變速系統(tǒng)，且使絞車結(jié)構(gòu)簡化、重量減輕、體積縮小，為工 程作業(yè)提供非常優(yōu)越的施工條件。另一方面，交流變頻電傳動鉆機可使電動機短時過載倍數(shù)達2倍以上，提高了鉆機提升和處理事故能力，尤其是在帶負載情況下， 可平穩(wěn)啟動、制動和調(diào)速，具有軟啟動性能，可降低供電電源容量;可采用計算機自動控制技術(shù)，便于對現(xiàn)場情況的監(jiān)控和控制;對于交流變頻電傳動鉆機鉆井泵排 量、沖數(shù)、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)、扭矩等參數(shù)，可實現(xiàn)全數(shù)字顯示，實現(xiàn)鉆機的自動化、智能化和對外界變化的自適應控制。
綜上所述，由于交流電動機自 身優(yōu)點，使得交流變頻電驅(qū)動鉆機無需再配電磁輔助剎車、易實現(xiàn)自動送鉆，鉆機結(jié)構(gòu)簡單、效率高、易實現(xiàn)自動化等，自產(chǎn)生以來在國內(nèi)得到一定發(fā)展。但是，當 前情況下，各油田應用的鉆機以直流驅(qū)動鉆機為主，且鉆機品種和質(zhì)量基本滿足了國內(nèi)不同地區(qū)、不同井深的需要，已有一批國產(chǎn)鉆機在國外承擔鉆井作業(yè)服務，并 受到用戶好評。而在交流鉆機方面，僅有長慶石油勘探局ZJ15DB型鉆機、四川石油管理局ZJ40DBS鉆機等少量機型應用了交流變頻電驅(qū)動系統(tǒng)，并在應 用過程中受到了鉆井隊工程技術(shù)人員和設(shè)備管理人員的好評。但其交流變頻功能并沒能完全開發(fā)，因而有廣泛的應用前景。在國內(nèi)，交流鉆機正成為研究熱點，許多 單位和科研院所將其作為重點開發(fā)產(chǎn)品。
總之，交流變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和電動機控制技術(shù)，其應用已滲透到石油行業(yè)各個技 術(shù)部門。在游梁式抽油機控制、潛油電泵控制，電驅(qū)鉆機控制中的應用還處于開始階段，在應用中也出現(xiàn)了許多問題，有待進一步解決。只有充分考慮油田油井實際 情況，才能促進交流變頻調(diào)速技術(shù)在采油設(shè)備中的應用。在油田注水和油氣集輸中的應用與生活中的恒壓供水類似，其應用技術(shù)已成熟。
應用解決方案一、抽油機的變頻調(diào)速
交流變頻調(diào)速技術(shù)在國民經(jīng)濟和日常生活中發(fā)揮著日益重要的作用，已被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)以及人們?nèi)粘Ｉ钪?，這主要得益于其優(yōu)良的節(jié)能特性和調(diào)速特性。 中國產(chǎn)值能耗是世界上最高的國家之一，要解決產(chǎn)品能耗問題，除其他相關(guān)技術(shù)問題需改進外，交流變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施。油田作為 一個特殊行業(yè)，有其獨特的背景，以風機、泵類負載為主，因而決定了變頻器在油田中的應用應以節(jié)能為第一目標。但是，抽油機的改造，主要在根據(jù)工礦情況能方 便調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。
一、 抽油機的變頻調(diào)速
對游梁式抽油機電機進行變頻調(diào)速，可消除起動過程中的沖擊，再生能量的處理 一般用電阻能耗制動方式。如果電源的質(zhì)量較好，比較穩(wěn)定，也可用回饋制動方式。在逆變期間，電源電壓故障(不足)或斷電，回饋制動單元逆變器會迅速直通 (有源逆變顛覆)，逆變失敗。因此，只有在不易發(fā)生故障的穩(wěn)定電網(wǎng)下，才可以采用這種回饋制動方式。
目前，對游梁式抽油機的交流變頻調(diào)速技術(shù)改造主要有以下3個方面：
(1) 以提高電網(wǎng)質(zhì)量、減小對電網(wǎng)影響為目標的變頻改造。
(2) 以節(jié)能為目的變頻改造。
(3) 改變采油桿上行和下行的速度，在一些情況下可以提高生產(chǎn)效率。
二. 改造實例
從2002年開始，森蘭沈陽分公司對大港油田的數(shù)百臺抽油機進行了改造。抽油機電機的功率一般在30kW～75kW，其中以37kW、45kW居多。選擇變頻器時，考慮抽油機的慣性力矩比較大，V/F控制通用變頻器要放大一擋，起動力矩較好的矢量控制變頻器更好，如SB70，只要變頻器的額定電流大于或等于電機的額定電流即可。
另外，抽油機在工作過程中有再生能量產(chǎn)生，每一臺變頻器都要配相應的制動單元和制動電阻，這樣，能量被電阻消耗掉了。為利用這部分再生能量，可以在幾臺抽油機集中的地方(平臺)，采用直流母線式。
三. 結(jié)束語
交流變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和電動機控制技術(shù)，其應用已滲透到石油行業(yè)各個技術(shù)部門，特別是游梁式抽油機控制較普遍也很成功，產(chǎn)生了經(jīng)濟效益。隨著變頻器更進一步的推廣應用，必將產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益。
應用解決方案二、森蘭變頻器在游梁式抽油機中的應用
目前，在陜北、甘肅和寧夏等地，油田采用的抽油設(shè)備中，有一部分為游梁式抽油機，數(shù)量也比較多。游梁式抽油機運動為反復地上下提升，一個沖程提升一次， 其動力來自于電動機帶動的兩個重量相當大的鋼質(zhì)滑塊，當滑塊提升時，類似于杠桿的作用，將采油機桿送入井中，滑塊下降時，采油桿提出帶油至井口，當負荷不 平衡時，在滑塊下降過程中，電機進入再生發(fā)電狀態(tài)，產(chǎn)生再生能量，再生能量反饋到變頻器的直流側(cè)，引起主回路直流母線電壓的升高，這樣會危及變頻器的安 全，極不利于抽油設(shè)備的安全運行。另一方面，游梁式抽油機引入兩個大質(zhì)量的鋼質(zhì)滑塊，導致抽油機的起動沖擊大等諸多問題。除了上述兩方面問題之外，油田采 油的特殊地理環(huán)境決定了采油設(shè)備有其自有的運行特點，在油井開采前期儲油量大，供液足，為提高功效可采用工頻運行，保證較高的產(chǎn)油量;在中、后期，由于石 油儲量減少，易造成供液不足，電機若仍工頻運行，勢必浪費電能，造成不必要的損耗，這時須考慮實際工作情況，適當降低電機轉(zhuǎn)速，減少沖程，有效提高充盈 率。為了解決上述問題，可將變頻技術(shù)引入到游梁式抽油機控制中去。根據(jù)電機理論可知，其轉(zhuǎn)速公式為：
其中：p為電動機的極對數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，f為供電電源頻率，n為電動機的實際轉(zhuǎn)速。從上式可以看出，電機轉(zhuǎn)速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑地調(diào) 節(jié)電機轉(zhuǎn)速，從而可以連續(xù)地改變提油機的抽油速度。根據(jù)電動機工作電流的大小確定電動機的工作頻率，這樣可以根據(jù)井況的變化，方便地調(diào)節(jié)抽油機的沖程，達 到節(jié)能和提高電網(wǎng)功率因數(shù)的目的。同時變頻調(diào)速器具有低速軟啟動，轉(zhuǎn)速可以平滑地大范圍調(diào)節(jié)，對電動機保護功能齊全，如短路、過載、過壓、欠壓及失速等， 可有效地保護電機及機械設(shè)備，保證設(shè)備在安全的電壓下工作，具有運行平穩(wěn)、可靠，提高功率因數(shù)等諸多優(yōu)點，是采油設(shè)備改造的理想方案。
在實際的應用過程中有些問題需要關(guān)注，如游梁式抽油機的發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的能量的處理。通常采用普通變頻器加能耗制動單元可比較方便地實現(xiàn)，這是以多耗電能為 代價的。也可以用回饋單元將再生能量反饋到電網(wǎng)，節(jié)能效果更好。目前我公司已在陜北、甘肅和寧夏等地油田上成功地將變頻器應用在此設(shè)備上，得到很好的使用 效果。
應用解決方案三、潛油電泵的變頻調(diào)速
一、概述
潛油電泵是油井井下工作的多級離心泵，是常用 的采油設(shè)備之一。油泵長期連續(xù)工作于2～3km井下高溫、強腐蝕的惡劣環(huán)境中，由于深入油層，故工作效率較高，近年來油田應用愈加廣泛。潛油泵的電動機功 率均不太大，一般在55～75kW之間。由于油井深、線路長，若采用較低的電源電壓，則線路壓降太大，電動機的端電壓低無法正常工作。若提高電源電壓，線 路壓降雖小，由于線路分布參數(shù)的影響，使得啟動過程中反壓較高，容易損壞電纜和電機的絕緣性，影響使用壽命。因此，電源電壓也不能太高，目前國內(nèi)大部分油 田采用的多是1140伏電壓供電。
電源電壓提高到1140伏后，線路壓降滿足電動機起動和運行的要求，但上電起動時沖擊電流大，分布電 感使系統(tǒng)內(nèi)反壓過高，經(jīng)常造成電動機、線路絕緣損壞的問題仍然存在。由于油井地質(zhì)狀況變化較大，而潛油電泵設(shè)計余量又往往偏大，尤其是井下液量不足時，泵 產(chǎn)生的油壓過高，故縮短泵的使用壽命，其維修及更換幾率增加。另外，潛油電泵在離地2～3km井下，無法實施就地功率因數(shù)補償，電動機消耗的無功功率，需 由電源供給，線路上既有有功電流，又有無功電流傳輸，合成的電流很大，由此產(chǎn)生的損耗也大。為解決上述問題，對油泵電機必須進行變頻調(diào)速控制。
二、潛油電泵變頻調(diào)速的優(yōu)勢
變頻器具備軟起動功能，可以在電動機額定電流下順利起動，故反電勢及沖擊電流很小，絕緣易受破壞的問題出現(xiàn)幾率較低。用變頻器后，無論重載或輕載，系統(tǒng) 的功率因數(shù)均較高，電動機需要的無功能量直接取自于變頻器，可減少供電線路上的能量損耗。另外，可按油井當前狀況調(diào)節(jié)出油量，使油井工作在最佳狀態(tài)，降低 故障率的同時提高工作效率。還可組成壓力、溫度閉環(huán)系統(tǒng)，提高自動化程度及實現(xiàn)最佳控制。
采用變頻調(diào)速后，對于富油油井，可以增產(chǎn);對 于貧油油井可以做到連續(xù)生產(chǎn)且減少停井次數(shù)并達到節(jié)能的目的;對含砂油井，可以減少卡泵次數(shù)，并可反轉(zhuǎn)排砂，延長電泵壽命;對于含氣油井，可提高轉(zhuǎn)速減少 油氣分離不佳所致的氣鎖現(xiàn)象出現(xiàn)而增產(chǎn)增效;對于含蠟油井，可減少結(jié)蠟、結(jié)垢而降低管路堵塞次數(shù);對于稠油油井，可低速大功率運行，減少停井次數(shù)并獲得可 觀的節(jié)能效果。
三、變頻調(diào)速的技術(shù)方案
采用森蘭1140V中壓變頻器。為降低變頻器的輸出諧波，需在變頻器的輸出端加裝輸出電抗器和輸出濾波器或正弦波濾波器。操作方式為手動控制，操作人員可根據(jù)現(xiàn)場情況手動調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率來滿足工藝的需要。
本公司研發(fā)的1140伏三電平變頻器，與二電平相比較，其輸出的電壓波形為梯形脈沖所組成，但其脈沖幅值卻降低一倍，較好地解決了dv/dt高所帶來的 絕緣及諧波等問題，使變頻器的輸出波形更接近正弦波，徹底地解決了器件換流對電機絕緣造成的沖擊導致的絕流損傷、軸電壓對電機軸承的腐蝕以及傳導干擾、輻 射干擾等諸多問題，降低漏電流及電機噪音。研發(fā)成功后，潛油電泵變頻調(diào)速全部使用1140伏的三電平變頻器。
應用解決方案四、森蘭SB70G變頻器在油田油氣混輸泵上的應用
一、前言
勝利油田孤東采油廠新灘油田地處黃河入?？诘暮┥希?998年投入生產(chǎn)開發(fā)，目前已投入開發(fā)生產(chǎn)油井63口，年產(chǎn)原油12萬噸。由于該地區(qū)離采油廠主 力生產(chǎn)區(qū)塊較遠，各采油點又比較分散，油井數(shù)量相對較少，自油田開發(fā)以來一直采用大型油罐車拉油的辦法，將各采油點的原油每天不停地運輸至數(shù)十公里外的原 油中轉(zhuǎn)站，原油運輸成本居高不下。隨著油田開發(fā)難度的增加和噸油成本的不斷上升，進一步挖掘內(nèi)部潛力，降低油氣生產(chǎn)成本，減少輸油損耗，就顯得尤其重要。 利用管道輸油可以大大降低油氣輸送生產(chǎn)成本，減少油氣損耗，但由于受各采油點產(chǎn)液量的限制，要保證油氣正常長距離生產(chǎn)輸送，就得采取大功率高揚程機組通過 截流控制的辦法，才能滿足油井生產(chǎn)的連續(xù)運行需要。由于輸油泵機組容量偏大，其流量和儲油罐液位控制均采用人為節(jié)流調(diào)節(jié)控制等因素，造成了該生產(chǎn)工藝系統(tǒng) 運行效率不高、設(shè)備易損件故障頻繁和“大馬拉小車”等現(xiàn)象的發(fā)生，這不僅嚴重浪費了能源，而且影響油井的正常生產(chǎn)和原油產(chǎn)量的完成。為此我們于2005年 初提出了在30kW的CSY11-2油氣混輸單螺桿泵上推廣應用了森蘭SB70G變頻器進行調(diào)速控制，安裝了質(zhì)量可靠的變頻調(diào)速設(shè)備，以解決生產(chǎn)中的諸多 實際問題，見到了良好的現(xiàn)場使用效果，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。
二、控制方案
新灘油田162油氣混輸站和191油氣混輸站油氣混輸泵機組的變頻調(diào)速技術(shù)控制方案采用了閉環(huán)控制或開環(huán)控制方式。
2.1現(xiàn)場生產(chǎn)工藝流程
162站管理著7口油井，油井來油先進入2.7米高的40方儲油罐，經(jīng)加熱后由30kW的CSY11-2油氣混輸單螺桿泵將油井產(chǎn)出物輸送至幾十公里外的油氣接轉(zhuǎn)站。191站生產(chǎn)工藝流程與162站基本相同，目前管理著5口油井，油氣輸送距離比162站更遠。
2.2閉環(huán)控制應用技術(shù)方案
在40方儲油罐上安裝帶4～20mA模擬信號輸出的浮球液位計，將液位信號給變頻器，變頻器在接收液位計信號后與變頻器設(shè)定值比較，采用PID調(diào)節(jié)控制 算法，通過變頻器輸出頻率的變化來自動調(diào)節(jié)和控制儲油罐的液位高度，達到節(jié)能降耗和油井生產(chǎn)平穩(wěn)運行自動控制的目的。儲油罐的液位控制高度為1.6米。
2.3開環(huán)控制應用技術(shù)方案
在40方儲油罐上不安裝液位計，液位檢測采用人工定時檢測，操作人員根據(jù)儲油罐的液位檢測高度，通過人工調(diào)節(jié)5kΩ的電位器來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控 制油氣混輸泵的排量，從而實現(xiàn)儲油罐的液位高度的控制，達到節(jié)能降耗和油井生產(chǎn)平穩(wěn)運行的目的。儲油罐的液位控制高度范圍為1.5米至2米。
在油氣混輸泵上安裝變頻器后，電機工作電流大幅下降，由20多安培下降到10安培左右，電機輸入功率也大幅下降，節(jié)電效果明顯，功率因數(shù)隨之提高，系統(tǒng) 效率也大幅提高，節(jié)電效果顯著。兩臺在用泵機組綜合節(jié)電率可達50%以上，兩臺在用變頻器年節(jié)電可達116800kWh。
應用解決方案五、森蘭變頻器在遼河油田注水泵的應用
應用方案：原系統(tǒng)使用軟起動器啟動，注水泵運行壓力不能調(diào)整。另外此設(shè)備在野外，供電的變壓器容量有限，電壓不穩(wěn)定，有時軟起動器因電流大而造成跳閘或 損壞變壓器而無法完成啟動。如果使用變頻器啟動，既可以實現(xiàn)恒壓力注水的要求，而且無啟動沖擊電流，各種保護功能完善，有效保證了設(shè)備的安全可靠運行?？?慮到控制的可靠性，變頻柜配置工/變頻轉(zhuǎn)換回路。為了防止注水泵在無水情況下干轉(zhuǎn)損壞泵，特在水泵入口處安裝電接點壓力表檢測壓力，進行缺水檢測，如缺水則報警不運行。為防止壓力變送器損壞，從而變頻以50Hz運轉(zhuǎn)而造成壓力超高，增加了出水口電接點壓力表檢測出水口壓力。
變頻調(diào)試注意點：注水泵采用恒壓控制，由于泵壓高(20kPa)，要求壓力不能超高，比例環(huán)節(jié)一般不宜過大，一定要保證壓力平穩(wěn)上升。PID參數(shù)設(shè)定如下：
F814=10，F(xiàn)815=5，F(xiàn)816=0.1
注水泵的啟動特點：在剛啟動時，電流較大，啟動起來后電流較小。如本例280kW注水泵，運行到50Hz時電流僅為220A。
應用解決方案六、森蘭變頻器在煉油廠的應用
一、概述
變頻調(diào)速是一種高效的調(diào)速方式，而且調(diào)速精度高、調(diào)速范圍寬，操作方便，并且可利用變頻器上自帶的RS485串行通訊口實現(xiàn)和控制系統(tǒng)的通訊，以便于隨時監(jiān)控系統(tǒng)的工作情況，有利于生產(chǎn)正常進行。煉油廠丙烷壓縮機液化氣的提取系統(tǒng)進行自動化改造，改造后除提高工藝操作水平外，而且節(jié)能20%左右，經(jīng)濟效益也十分顯著。
二、森蘭SB70變頻器的主要特點
丙烷壓縮機是該系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，對變頻器的可靠性、起動轉(zhuǎn)矩和動態(tài)響應都有一定的要求。由于變頻器是該自動化系統(tǒng)的一部分，為減少干擾，要求輸出波型中 有較低的諧波含量，因此，選用我公司生產(chǎn)的SB70矢量控制變頻器。該變頻器是希望森蘭科技股份有限公司自主開發(fā)的新一代低噪音、高性能、可靠性高、功能 強大的工程型變頻器，采用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方式，實現(xiàn)了對電機大轉(zhuǎn)矩高精度的控制。其操作面板具有編程、操作、參數(shù)復制、熱拔插功能，大大方便了操 作人員對參數(shù)的修改(僅對一臺變頻器設(shè)置參數(shù)，其它均可進行參數(shù)復制，減少調(diào)試過程中的工作量)，速定給定可通過端子切換，減少了外部繁鎖的連接線。瞬時 掉電時，通過母線電壓控制，實現(xiàn)不間斷運行;還可根據(jù)負載特性和環(huán)境溫度，自動調(diào)整載波頻率。
三、工藝過程
液化氣的提取工藝系統(tǒng)如下框圖所示。
圖1 液化氣提取工藝系統(tǒng)框圖
圖中：P0—入口壓力，外部供氣壓力
P1—進氣口壓力，進氣閥調(diào)節(jié)后壓力，要求<0.6Mpa
P2—壓縮機出口壓力，要求1.2Mpa～1.7Mpa
P3—分離塔壓力，要求1.08Mpa
L1—入口流量，壓縮機吸氣量
L2—出口流量，壓縮機排氣量
閥門開度：生產(chǎn)要求進氣閥開度30%~50%。
出口閥開度80%~100%。
工藝過程：
煉油產(chǎn)生的氣體，經(jīng)過壓縮機加壓后凝為液態(tài)進入分離塔，經(jīng)過吸收等其他加工工藝，提取出石油液化氣。進氣口壓力P1要求小于0.6MPa，壓縮機出口壓 力P2可達到1.2MPa～1.7MPa之間，經(jīng)出口閥調(diào)節(jié)后保證分離塔壓力P3在1.05MPa。如果某種原因使分離塔壓力升高，為安全起見則泄壓閥打 開，將分離塔內(nèi)液體經(jīng)管道回流進氣口。
調(diào)節(jié)閥門的開度使P1指示壓力小于0.6MPa，P3壓力在1.08MPa左右。操作人員根據(jù)P1、P2、P3上的指示值進行調(diào)節(jié)。進氣的壓力P0一般來說不是很穩(wěn)定，為使控制準確，需知道P0與P1、P2、P3的變化的關(guān)系如下表(1)：
四、系統(tǒng)的構(gòu)成
由表(1)和表(2)所反映的在P0改變時和進口閥開度改變時，P1、P2、P3和L1、L2的變化可見，進氣P0的升高或降低，使P1、L1和L2發(fā) 生相應的改變。如果要使流量L1和L2不變，可調(diào)節(jié)進口閥的開度往P0增加的相反方向變化，即P0增大，進口閥開度減少，或P0降低，進口閥開度增大。
為保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性，希望進入分離塔的丙烷流量不要有太大的波動。為此控制方式可有兩種選擇，一種采用流量控制方式，用流量變送器采集的流量信號回饋到控制系統(tǒng)上， 使系統(tǒng)組成為一流量閉環(huán)系統(tǒng)，這樣不論P0如何變化，都可保證流量基本不變。另一種方式是用P1信號作為反饋信號，只要使P1保持穩(wěn)定流量就基本不變。因 此，在進氣壓力P0波動時，使壓縮機轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，使P1不變，即可使流量基本不變。于是以壓力信號P1作為反饋信號組成壓力閉環(huán)系統(tǒng)。這里P1信號在壓 縮機輸入管道上，但是P1的變化是壓縮機調(diào)速后的結(jié)果，作為閉環(huán)系統(tǒng)的反饋信號是可行的。由此可見，調(diào)節(jié)壓縮機的轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)進口閥的開度在工藝上可達到相 同的效果。本系統(tǒng)的壓縮機電機功率為160kW，工頻運行時，流量的改變靠閥門節(jié)流調(diào)節(jié)，浪費了大量的能源，機械的磨損未能減低，影響機組的使用壽命。為 實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化，采用一臺SB70系列160kW變頻器與壓力變送器P1構(gòu)成恒壓控制。系統(tǒng)如圖2所示：
圖2 變頻器控制系統(tǒng)
為提升整個系統(tǒng)的自動化水平，引入工控機進行監(jiān)控，監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖3：
圖3 系統(tǒng)控制框圖
本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡采集壓力、流量、閥門開度等模擬量，輸出模擬量調(diào)節(jié)電動閥開度;采集報警和其他開關(guān)信號，輸出備用系統(tǒng)起動信號、停止信號等。工控機通過RS485實現(xiàn)對變頻器進行控制，P1壓力通過數(shù)據(jù)采集卡采集，經(jīng)工控機處 理后，由RS485將控制信號送到變頻器，控制變頻器的頻率的升降，達到恒定P1的目的，最終使流量基本不變。當然還要控制變頻器的起停，同時電機的運行 參數(shù)也要送工控機進行監(jiān)控。工控機為一臺CPU PⅢ、內(nèi)存128M、硬盤20G的研祥工控機，配置數(shù)據(jù)采集卡、溫度信號處理卡、開關(guān)信號接線板、RS485通訊卡、RS485通訊模塊等。
模擬量數(shù)據(jù)采集卡將壓力、流量、閥門開度、電機溫度和管道溫度等模擬信號轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字信號，每一路信號占用數(shù)據(jù)采集卡上一個模擬通道，互不影響， 采樣周期為300ms。SB70變頻器支持RS485半雙工串行通訊方式，通過在工控機上用IP函數(shù)或VB的MSCDMM通訊控件編制串行通訊程序，即可 實現(xiàn)工控機與變頻器之間的通訊，本系統(tǒng)用VB的通訊控件編制。將采集到的數(shù)據(jù)信號，經(jīng)實時分析處理后，通過組態(tài)王監(jiān)控畫面，監(jiān)測現(xiàn)場傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)和歷史 數(shù)據(jù)及設(shè)備的運行狀況、歷史曲線的分析、實時報表、歷史報表的打印、聲光報警等。
五、系統(tǒng)的優(yōu)點
原系統(tǒng)是在人為觀察 P1壓力的情況下，改變進口閥的開度來滿足工藝上的要求，在P0波動比較頻繁時，人工勞動強度大?？刂葡到y(tǒng)投入運行后一般不需要人工干預，可在遠離現(xiàn)場的 地方進行監(jiān)控。壓縮機用變頻器驅(qū)動后節(jié)能效果明顯，據(jù)用戶測算可節(jié)能18%～22%。電動機的起動電流和運行電流均在額定電流以下，減少了對電網(wǎng)的沖擊。 電機不總是工作在額定轉(zhuǎn)速，延長了設(shè)備的使用壽命，系統(tǒng)的安全性也有提高。
應用解決方案七、森蘭變頻器在化肥廠的應用
一、概述
上世紀70年代曾經(jīng)有過全民大辦化肥，那時，在全國很多縣都興辦了化肥廠，主要生產(chǎn)氨水、磷銨。隨著國內(nèi)設(shè)計院能夠完成小化肥成套生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計，生產(chǎn)尿素的原料主要是液氨和二氧化碳氣體，在這些化肥廠中有部分化肥廠用國產(chǎn)成套設(shè)備生產(chǎn)尿素。
二、尿素生產(chǎn)工藝
將二氧化碳氣體經(jīng)壓縮機加壓，使壓力達到16kg并進入尿素合成塔。從合成氨車間氨庫來的液氨進入氨儲罐，經(jīng)過氨升壓泵加壓進入高壓液氨泵，加壓至20kg左右，經(jīng)過預熱后進入甲胺噴射器作為推動液，將來自甲胺分離器的 甲胺溶液增壓后混合一起進入尿素合成塔，在觸媒的作用下合成尿素。尿素合成塔內(nèi)溫度為186～190℃，壓力為200kg左右，NH3/CO2的摩爾比和 H2O/CO2的摩爾比控制在一定的范圍內(nèi)。合成后的氣液混合物進入一段分解，進行氣液分離，將分離氣體后的尿液送入二段分解，進一步將混合物中的氣體除 去。凈化后的尿液依次進入閃蒸器、一段蒸發(fā)、二段蒸發(fā)濃縮，最后得到尿素熔融物，用泵輸送到尿素造粒塔噴灑器，在空氣中沉降冷卻固化成粒狀尿素，通過尿素 塔底刮料機用運輸皮帶送往儲存包裝車間打包后出廠。
某化肥廠由于生產(chǎn)工藝的需要，尿素生產(chǎn)中使用的2臺一甲泵、一臺氨泵和三臺氨水泵， 為使進入合成塔的氨和二氧化碳的流量不致波動過大，需要進行調(diào)速控制。一甲泵(110kW)、氨泵(132kW))電動機的功率較大，原系統(tǒng)采用液力偶合 器調(diào)速;氨水泵(11kW)功率較小，原系統(tǒng)采用電磁調(diào)速。
三、液力耦合器調(diào)速和電磁調(diào)速
1、液力偶合器調(diào)速
液力偶合器是通過控制工作腔內(nèi)工作油液的動量矩變化，來傳遞電動機能量，電動機通過液力偶合器的輸入軸拖動其主動工作輪，對工作油進行加速，被加速的工 作油再帶動液力偶合器的從動工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負載。液力偶合器有調(diào)速型和限矩型之分，前者用于電氣傳動的調(diào)速，后者用于電機的起動。調(diào)速型 液力偶合器效率最大值為95%。液力偶合器的效率計算的公式為：
式中：nT—為液力偶合器輸出軸的速度(r/min)
nB—為電機側(cè)液力偶合器輸入軸的速度(r/min)
其效率為輸入軸和輸出軸的速度之比，調(diào)速越低，效率越低。
2、電磁調(diào)速
電磁調(diào)速系統(tǒng)由鼠籠異步電機、轉(zhuǎn)差離合器、測速電機和控制裝置組成，通過改變轉(zhuǎn)差離合器的激磁電流來實現(xiàn)調(diào)速。轉(zhuǎn)差離合器的本身的損耗是由主動部分的風阻、磨擦損耗及從動部分的機械磨擦損所產(chǎn)生的。如果考慮這些損耗與轉(zhuǎn)差離合器的激磁功率相平衡，且忽略不計的話，其效率可用下式計算：
式中：n1――電動機的輸出軸轉(zhuǎn)速
n2――轉(zhuǎn)差離合器的輸出軸轉(zhuǎn)速
其效率正比于輸出轉(zhuǎn)速，輸出最大轉(zhuǎn)速時其效率理論值為85%。
四、一甲泵、氨泵和氨水泵的變頻調(diào)速節(jié)能
一甲泵、氨泵和氨水泵名義上是泵，實為壓縮機。壓縮機為恒轉(zhuǎn)矩負載，選用SB70通用變頻器。使用變頻調(diào)速代替液力偶合器調(diào)速的方法是，將液力偶合器拆除，用聯(lián)軸器連接電動機和負載軸。變頻器可用手動調(diào)速方式控制，一般情況下一甲泵變頻器的輸出頻率為35Hz～39Hz;氨泵變頻器的輸出為40Hz～44Hz，能夠滿足生產(chǎn)工藝要求。
對于電磁調(diào)速，因電機功率較小，用鼠籠電動機直接代換電磁調(diào)速電機。代換后驚喜地發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)條件相同的情況下，用電磁調(diào)速時三臺電動機要同時運行，用變頻調(diào)速后，只需運行二臺電動機即可滿足生產(chǎn)需要。這是因為電磁調(diào)速的效率較低，且調(diào)速越低，效率越低，而變頻調(diào)速的效率較高，且基本上與轉(zhuǎn)速無關(guān)。由于電機功率小，節(jié)能量有限，計算略。
五、結(jié)語
變頻調(diào)速改造后，年節(jié)電費17.48萬元，不到一年半可收回全部投資，獲得了較好的經(jīng)濟效益。另外，液力偶合器穩(wěn)定性較差，特別是調(diào)整后要較長的時間才 能穩(wěn)定，不利于生產(chǎn)長期連續(xù)運行。變頻調(diào)速調(diào)節(jié)方便，調(diào)節(jié)精度高且穩(wěn)定，使裝置長期能夠可靠運行而避免的停工損失等經(jīng)濟效益是無法估量的。
應用解決方案八、森蘭變頻器在化工廠風機上的應用
1、引言
變頻調(diào)速技術(shù)因具有顯著的節(jié)電效果、方便的調(diào)速方式、較寬的調(diào)速范圍、運行可靠、完善的保護功能等優(yōu)點而被廣泛應用。濟南裕興化工總廠是一家生產(chǎn)硫酸的大型企業(yè)，年用電量巨大。如何節(jié)約電能已經(jīng)成為該廠降低成本的重要措施。
2、送風機變頻改造情況
2.1 改造前狀況
該供風系統(tǒng)采用380V 350kW風機，靠調(diào)節(jié)風道擋板控制送風量以適應生產(chǎn)負荷的變化。由于投建時風機選型較大，出現(xiàn)“大馬拉小車”情況，大部分電能被消耗在風道擋板上，從而使風機效率下降。
該系統(tǒng)在運行過程中采用自耦降壓啟動方式，但啟動電流仍然較大，電機受到的機械、電氣沖擊較大，經(jīng)常發(fā)生轉(zhuǎn)子籠條斷裂的事故。
為了解決上述問題，決定對送風機控制系統(tǒng)進行改造，利用電機變頻調(diào)速方法實現(xiàn)送風量控制、電機軟啟動，達到節(jié)能和實現(xiàn)穩(wěn)定控制的目的。
2.2改造方案簡介
在原電機與開關(guān)之間增加一套變頻裝置，并保留了原有工頻回路做旁路，其電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 電路結(jié)構(gòu)圖
圖1中，變頻器采用希望森蘭科技股份有限公司生產(chǎn)的SB200-375高性能通用變頻器， 它是該系統(tǒng)的核心。變頻器的輸出電壓為0～380V，輸出頻率為0～650Hz。在實際使用中，變頻器上限頻率設(shè)置為50Hz。它由高性能數(shù)字處理器 DSP控制，功率元件采用IGBT模塊，具有輸入、輸出波形好，諧波小等優(yōu)點。SB200變頻器保護功能齊全，包含了過壓、過流、欠壓、缺相、短路、過 熱、瞬時停電保護等，能有效地保護電機及自身裝置，并且可查詢故障時各參數(shù)變化的記錄，大大地簡化了維護的工作量。
變頻器采用高精度調(diào)節(jié)電位器來給定輸出頻率，根據(jù)需要的風量在現(xiàn)場調(diào)速。電位器通過屏蔽線與變頻器控制器連接，并且設(shè)置了低通濾波器以提高控制精度。通過Y1端口的輸出頻率信號作為現(xiàn)場監(jiān)控。由于采用了電氣互鎖裝置，使系統(tǒng)不會出現(xiàn)誤操作等意外事故。
由于該變頻器容量較大，為了減少dv/dt及di/dt對系統(tǒng)的干擾，在變頻器直流側(cè)增加了直流電抗器。
3、采用變頻器改造的效果
該系統(tǒng)風機電機為350kW、額定電流629A、2極。原工頻工作時，平均運行電流530～590A，取550A計算，每小時耗電約317kWh(有 功);在投入變頻系統(tǒng)運行后，平均每小時耗電207kWh(有功)，在變頻器輸入側(cè)(電源端)測試，電壓仍為380V，運行電流為280～320A，取 300A計算;變頻系統(tǒng)功率因數(shù)取0.93;電價0.5元/kWh。
(1) 每小時節(jié)電
按有功計算，上式結(jié)果乘以上功率因數(shù)0.93
40%×0.93≈37%
每小時節(jié)電：317-207=110(kWh)
(2) 年效益
該風機為不停機運行，年運行365天，故年節(jié)電效益為：
365×24×0.9×110×0.5≈43.4(萬元)
(3) 投資回收年限
該系統(tǒng)總投資20余萬元，每年收益43.4萬元，所以該項目投資回收年限只有半年;同時提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，效益十分顯著。系統(tǒng)使用至今運行穩(wěn)定，從未出現(xiàn)任何故障。
應用解決方案九、森蘭變頻器在化工行業(yè)空壓機上的應用
一、前言
在工業(yè)生產(chǎn)中，壓縮氣體的使用非常普遍。在工廠內(nèi)，若干臺空氣壓縮機安 裝在一個地方，就構(gòu)成一個空壓機站。四川自貢鴻鶴化工實業(yè)有限公司有一氫壓機站，安裝有3臺110kW防爆往復式活塞式氫壓縮機，用來壓縮氫氣。在設(shè)計選 用氫氣壓縮機電動機容量時，過多考慮建設(shè)前后長期工藝要求的差異，使裕量過大。另外，設(shè)計過程中很難作準確的計算，考慮長期運行過程中可能發(fā)生的各種問 題，通常是將氫氣壓縮機滿負荷長時間運行來作為選型的依據(jù)，但氫氣壓縮電動機的系列是有限的，往往選不到合適電動機型號就往上靠，大20%~30%的比較 常見。由于上述的原因，實際生產(chǎn)中氫氣壓縮機輕載運行的時間會顯著增長。
另外，由于生產(chǎn)上使用氫氣的不均勻性，用氣量是在動態(tài)變化的，有時需要同時運行數(shù)臺氫壓縮機供氣，而有時一臺氫壓縮機產(chǎn)的氣都有富余，但氫壓縮機仍在全速運行。氫氣壓縮機出廠時配套的排氣壓力調(diào)節(jié)裝置為關(guān)閉進氣管式壓力調(diào)節(jié)器，其工作原理是當儲氣罐(風包)內(nèi)空氣壓力達到或超過設(shè)定壓力(0.82MPa)時，壓縮機進氣管上碟閥自動關(guān)閉，壓縮機進入空轉(zhuǎn)卸荷狀態(tài)。當儲氣罐內(nèi)空氣壓力低于設(shè)定壓力(0.77MPa)時，壓縮機進氣管碟閥自動開啟，壓縮機又進入滿載工作狀態(tài)。
氫氣壓縮機的排氣量和壓力，在運轉(zhuǎn)中也不是不變的，但工藝上的需求是動態(tài)改變的，所以氫氣壓縮機工作時總是在重復滿載-卸荷工作方式。滿載時的工作電流 接近電動機的額定電流，而卸荷時的空轉(zhuǎn)電流約為35~50%電動機額定電流，這部分電流不是做有用功，而是機械在額定轉(zhuǎn)速下的空轉(zhuǎn)損耗。這種機械式調(diào)節(jié)裝 置雖然也能起到壓力調(diào)節(jié)作用，但是壓力調(diào)節(jié)精度低，壓力波動大。氫壓縮機總是在額定轉(zhuǎn)速下工作，機械磨損大、且運行在低效狀態(tài)，電耗高。
如采用變頻調(diào)速，根據(jù)需要來調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，使之在高效狀態(tài)下減少電動機的運行功率，可在滿足生產(chǎn)工藝要求的條件下達到節(jié)能的目的。從運行質(zhì)量的角度 看，氫壓縮機系統(tǒng)大多不能根據(jù)負載的輕重連續(xù)地進行調(diào)整。而采用變頻調(diào)速后，則可以十分方便有效地進行連續(xù)調(diào)節(jié)，保持壓力、流量等參數(shù)的穩(wěn)定，從而大大提 高壓縮機工作效率及性能。
二. 氫壓縮機節(jié)能原理
根據(jù)空氣壓縮理論，氫壓縮機的軸功率PZ(kW)，排氣量QD(m3/min)和轉(zhuǎn)速n(r/min)符合下列公式：
式中： --氫壓縮機輸入的平均扭矩N?m
K—與氣缸容積、壓力、溫度和泄露有關(guān)的系數(shù)
n2—調(diào)節(jié)后的壓縮機轉(zhuǎn)速，r/min
--氣缸容積,m3
根據(jù)上述理論分析，在氫壓縮機的氣缸容積不能改變的條件下，只有調(diào)節(jié)氫壓縮機的轉(zhuǎn)速來改變排氣量;氫壓縮機是恒轉(zhuǎn)矩負載，壓縮機軸功率與轉(zhuǎn)速的一次方成正比變化;在氫壓縮機總排氣量大于供氣量時，通過降低壓縮機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)供氣壓力，是達到壓縮機經(jīng)濟運行的有效方法。
在可以選用的交流異步電動機調(diào)速方法有變極調(diào)速、改變皮帶輪傳動比、繞線式電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速等。變頻調(diào)速與其它調(diào)速方法相比，具有無極調(diào)速、容易實 現(xiàn)自動控制、不用改變設(shè)備結(jié)構(gòu)和安裝工作量小的特點，高效調(diào)速且節(jié)能。即交流異步電動機變頻調(diào)速，是一種不耗能的高效的調(diào)速方法。
三. 變頻恒壓供氣
變頻器、壓力變送器構(gòu)成壓力閉環(huán)系統(tǒng)，自動按需降低氫壓縮機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)供氣壓力，達到壓縮機經(jīng)濟運行?？紤]在儲氣罐上安裝一只壓力變送器，將壓力信號反饋到變頻器的端子上，構(gòu)成恒壓供氣系統(tǒng)，供氣壓力設(shè)置為0.8MPa。
氫壓縮機電動機的額定電流應等于或小于恒轉(zhuǎn)矩變頻器額定電流。變頻器要有內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器和4～20mA模擬信號接口。本例選用一臺森蘭SB70G132變頻器，壓力變送氣選用森納斯DG13W=BZ-A，1.6MPa。恒壓供氣原理圖如圖2所示：
圖中：由壓力傳感器PT 從貯氣罐取出壓力反饋信號，送至變頻器內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器的輸入端，與預置的壓力給定信號相比較，經(jīng)PID調(diào)節(jié)器處理后，從而決定電動機的工作頻率和轉(zhuǎn)速。 此種控制方式在保證儲氣罐氫氣的壓力始終保持恒定的前提下，在用氣量改變時自動調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，保持高效率運轉(zhuǎn)實現(xiàn)節(jié)能。
圖2 恒壓供氣原理圖
變頻器控制第一臺氫壓縮機，給定調(diào)節(jié)用變頻器上的操作鍵盤，變頻器的多功能輸出Y1、Y2接第二和第三臺氫壓縮機的自耦減壓起動器的起動/停止電路，這 樣可由變頻器的輸出控制另外兩臺氫壓縮機的運行或停機。手動運行時，第一臺氫壓縮機由變頻器控制，第二和第三臺的氫壓縮機可用自耦減壓起動器人工起動/停 止。自動運行時，第一臺氫壓縮機首先變頻運行，當變頻器的輸出頻率已達到50Hz，供氣量仍不足，變頻器的輸出節(jié)點Y1、Y2動作，起動第二和第三臺氫壓 縮機工作;如供氣量大于給定值時，系統(tǒng)自動停止第二和第三臺的氫壓縮機工作，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)可實現(xiàn)恒壓供氣。
氫氣為可燃性氣體，氫壓縮機的工作場地有爆炸危險，SB70G系列變頻器的防護等級為IP2O，顯然不能在有爆炸危險的場合。將變頻安裝在沒有爆炸危險的配電房內(nèi)，用遠方控制盒在壓縮機旁進行操作，遠方控制盒也要考慮為本質(zhì)安全性的。
四、注意事項
1、由于空氣壓縮機的轉(zhuǎn)動慣量大，在選用變頻器時應根據(jù)具體的工況條件和現(xiàn)場的運行電流情況確定選配的變頻器容量。
2、壓力傳感器應在壓力變化不是相對劇烈地方，最好安裝在儲氣罐上。為避免干擾，壓力傳感器的信號盡量采用4～20mA電流信號，傳輸線用雙芯屏蔽線。
3、在變頻器的控制系統(tǒng)中應設(shè)有開環(huán)和閉環(huán)兩種控制模式，以便于調(diào)試和特殊情況下使用。
4、由于空氣壓縮機不允許長期工作在低頻狀態(tài)下，在低頻下運行不但穩(wěn)定性變差，而且容易出現(xiàn)喘振，另一方面也使缸體的潤滑變差，會加快磨損，故應設(shè)定合理的、有效的、安全的工作頻率下限。具體的設(shè)定要根據(jù)不同的工況、不同的使用條件和要求，耐心細致地調(diào)整。
五、節(jié)能改造后的效果
壓縮機于2005年8月改造完成，經(jīng)過三個月的運行，達到了預想的目的。不論生產(chǎn)工藝如何改變，也不論供氣量如何改變，恒壓供氣的氫氣壓力維持在0.8MPa左右，供氣質(zhì)量大幅度提高。
變頻調(diào)速后，空壓機零速平滑起動，提高生產(chǎn)安全性。氫壓縮機任何時候不再是全速運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速降低后，工作環(huán)境噪音也相應下降;轉(zhuǎn)速降低后，機械的磨損隨之減小，有利于增長壓縮機的壽命，降低維修成本。
節(jié)能方面，由壓縮機的公式可見，壓縮機消耗的軸功率PZ(kW)與軸轉(zhuǎn)速n(r/min)成正比，而壓縮機的排氣量QD(m3/min)又與軸轉(zhuǎn)速成正 比，則壓縮機消耗的軸功率PZ(kW)就與壓縮機的排氣量QD(m3/min)成正比，降低轉(zhuǎn)速可節(jié)省軸功率，經(jīng)實測節(jié)電率達到26%，取得了較好的經(jīng)濟 效益。
應用解決方案十、森蘭變頻器在納愛斯集團日化生產(chǎn)線上的應用
一、前言
納愛斯集團前身是成立 于1968年的國營麗水五七化工廠，1993年進行股份制改造，2001年組建集團?？偛课挥谡憬←愃校诤弦骊?、四川成都、河北正定、吉林四平、 新疆烏魯木齊設(shè)有五大駐外生產(chǎn)基地。集團自1994年以來一直是中國洗滌用品行業(yè)的龍頭企業(yè)，實現(xiàn)洗衣粉、肥皂、液洗劑三大產(chǎn)品全國銷量第一，2005年 進入世界前八強。
二、森蘭變頻器洗衣粉生產(chǎn)線上的應用
洗衣粉生產(chǎn)工藝如下：自動加料機 → 主機(雙滾同相異速攪拌、膨化、造粒) → 緩沖斗 →U型螺旋輸送機 → 雙擺顆粒成型機 → 吸料器 → 吸料管 → 冷風機 → 旋風干燥塔 → 除塵塔 → 電磁控制系統(tǒng) → U型螺旋輸送機 → 全自動定量罐裝封口一體機 → 成品。由此可見洗衣粉生產(chǎn)線應用了大量的風機、輸送泵、攪拌機，輸送機等設(shè)備，而且有不少設(shè)備均需要調(diào)速，原生產(chǎn)線使用的是ABB變頻器。 由于這些年以來，國產(chǎn)變頻技術(shù)有了長足的進步，國產(chǎn)變頻器的性能、質(zhì)量也能滿足生產(chǎn)工藝的需要，且價格相對便宜，售后服務的質(zhì)量也能得到保證。在新的生產(chǎn) 線上，主機、螺旋輸送機、雙擺顆粒成型機、吸料器、冷風機、旋風干燥塔、除塵塔等均用森蘭變頻器進行調(diào)速控制。據(jù)測算，采用變頻調(diào)速后，節(jié)能率在18%左 右，經(jīng)濟效益顯著。
