變頻調(diào)速技術(shù)自二十世紀(jì)八十年代后，已廣泛地應(yīng)用于我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)。石油化工行業(yè)也不例外，不管是原油、天然氣的開(kāi)采，還是煉油、化工裝置，直至下游最終化纖、塑料、化肥等都大量工藝應(yīng)用了變頻調(diào)速技術(shù)（特別是合成纖維工業(yè)，變頻幾乎是唯一方案）。石油化工行業(yè)應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)的理由有兩個(gè)：

第一，生產(chǎn)工藝的要求調(diào)速運(yùn)行，提高產(chǎn)量和質(zhì)量；

第二，節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)的需要。因?yàn)槭突ば袠I(yè)有眾多的離心式風(fēng)機(jī)、泵類和氣體壓縮機(jī)，調(diào)速方式改變流量可以節(jié)省可觀的電能。節(jié)電的同時(shí)就是減排有害氣體，實(shí)現(xiàn)環(huán)保。

2 變頻調(diào)速在石油鉆機(jī)中應(yīng)用（變頻石油鉆機(jī)）

地質(zhì)勘探到石油或天然氣礦源，需要鉆井地下數(shù)千米，開(kāi)采到原油或天然氣。因此，鉆一個(gè)發(fā)現(xiàn)井（評(píng)價(jià)井），幾個(gè)試驗(yàn)井以及大量的生產(chǎn)井。這樣方才形成一定規(guī)模的油田井坊。

石油鉆機(jī)是石油開(kāi)采的重要設(shè)備。鉆機(jī)過(guò)去有柴油發(fā)電機(jī)組，交流電網(wǎng)供電及直流驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)，目前交流變頻鉆機(jī)已成為新型電驅(qū)鉆機(jī)，它具有諸多直流鉆機(jī)無(wú)法比較的優(yōu)越性，是石油鉆機(jī)今后發(fā)展的趨勢(shì)。

2.1 石油鉆機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)的理由

（1）不同的斷層地質(zhì)，應(yīng)有不同的鉆機(jī)速度。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速和鉆進(jìn)壓力，從而改變鉆機(jī)的鉆進(jìn)速度。

（2）變頻調(diào)速可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，減小電流沖擊，避免巨大的電磁應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，延長(zhǎng)鉆機(jī)的使用壽命。

（3）鑒于鉆機(jī)工況的特殊性，當(dāng)鉆機(jī)遇到巖石等硬質(zhì)層時(shí)，會(huì)發(fā)生卡機(jī)情況，電流會(huì)急劇上升。由于變頻器采取了靈敏電流傳感器取樣及功率模塊igbt管結(jié)壓降保護(hù)措施，變頻器會(huì)在10ms極短時(shí)間內(nèi)封鎖輸出，保護(hù)了鉆機(jī)設(shè)備。

2.2石油鉆機(jī)變頻調(diào)速應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用實(shí)例1：大慶市石油管理局井下鉆井公司3000米深度的鉆機(jī)。采用山東新風(fēng)光電子公司風(fēng)光牌jd-bp32-500z專用鉆機(jī)變頻器，3φ，380v，500kw、940a。

應(yīng)用實(shí)例2：中原油田50103隊(duì)?wèi)?yīng)用在2900米和4500米井上。采用abb公司acs600系列變頻器七臺(tái)，800kw.600v等級(jí)。山東永濟(jì)電機(jī)廠提供七臺(tái)800kw變頻電動(dòng)機(jī)，上海三高石油設(shè)備公司制造5000米交流變頻鉆機(jī)，50dbs全變頻電控系統(tǒng)。

3 采油用抽油泵和潛油泵的變頻調(diào)速系統(tǒng)

采油工作任務(wù)就是最大限度地將原油從油層中采到地面上來(lái)，油井是連結(jié)油層和地面的通道。

采油方法是指流到井底的原油采到地面上所用的方法。

一般有二種：

1）自噴采油（利用油田內(nèi)的本身能量）；

2）人工舉升采油（利用外界能量）或稱機(jī)械采油。

鑒于我國(guó)多數(shù)油田的天然能量不足，自噴采油方法很少見(jiàn)。所以采用兩種抽油機(jī)，有桿泵往復(fù)式抽油機(jī)（又稱磕頭式抽油機(jī)）及地下潛油離心式電動(dòng)泵抽油機(jī)。

圖1 抽油機(jī)結(jié)構(gòu)圖
1—電動(dòng)機(jī)；2—?jiǎng)x車；3—減速箱；4—曲柄；5—平衡重；6—連桿；
7—橫梁；8—平衡塊；9—游梁支座；10—游梁；11—驢頭；
12—懸繩器；13—支架；14—底座

3.1 游梁式抽油機(jī)（又稱磕頭式抽油機(jī)）變頻調(diào)速

3.1.1 游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)

抽油機(jī)是抽油井地面機(jī)械傳動(dòng)裝置，它和抽油桿、抽油泵配合使用，能將井下原油抽到地面。按照抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理不同可分為游梁式抽油機(jī)和無(wú)游梁式抽油機(jī)。目前油田主要是游梁式抽油機(jī)。

3.1.2 抽油機(jī)的工作原理

由電機(jī)供給動(dòng)力，經(jīng)減速裝置將馬達(dá)的高速旋轉(zhuǎn)變?yōu)槌橛蜋C(jī)的低速運(yùn)動(dòng)，并由曲柄——連桿——游梁機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)槌橛蜋C(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)深井泵工作。

3.1.3 抽油機(jī)調(diào)節(jié)抽油量的方法

抽油機(jī)井下深井泵（有管式泵和桿式泵兩種）其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

深井泵的工作原理：當(dāng)活塞上行時(shí)，吸液體入泵，排液體出井；活塞下行時(shí)，泵筒內(nèi)液體轉(zhuǎn)移入油管內(nèi)，不排液體出井。從油井采出的水是由無(wú)到有，由低到高；而采出的原油則由高到低逐步下降。因此，抽油機(jī)應(yīng)根據(jù)井下含水的上升，不斷地加大抽液量，見(jiàn)圖2。

圖2 泵的工作原理圖
a —上沖程； b —下沖程
1—排出閥；2—活塞；
3—襯套；4—吸入閥

既往電動(dòng)機(jī)恒速，調(diào)節(jié)流量方法：

（粗調(diào)）1/ 調(diào)節(jié)深井泵的沖次（次/分）（調(diào)傳動(dòng)比）

（細(xì)調(diào)）2/ 調(diào)節(jié)深井泵的沖程（max 1800mm）（調(diào)插銷空位置）

圖3 游梁式抽油裝置示意圖
1—吸入閥；2—泵筒；3—活塞；4—排出閥；
5—抽油桿；6—油管；7—套管；8—三通；
9—盤(pán)根盒；10—驢頭；11—游梁；12—連桿；
13—曲柄；14—減速箱；15—電動(dòng)機(jī)

圖3為磕頭式抽油裝置示意圖:

●　地石階 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)動(dòng);

●　抽油桿 （約8米長(zhǎng)）連接驢頭和深井泵；

●　活塞式 （容積式）深井泵。

變頻調(diào)速游梁式抽油機(jī)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)由變頻器供電，不需要機(jī)械變速擋和調(diào)節(jié)過(guò)程。若采用變頻調(diào)速的游梁式抽油機(jī)，無(wú)極平滑調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，即可調(diào)節(jié)深井泵的抽液量。不需要停機(jī)更換皮帶盤(pán)，也無(wú)需改變深井泵活塞的沖程，還可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)。

由于采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，使抽油機(jī)動(dòng)態(tài)適應(yīng)油井負(fù)荷變化，也可方便地進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的控制。同時(shí)其軟起動(dòng)性能好，可延長(zhǎng)抽油機(jī)壽命，減少維修費(fèi)用。

應(yīng)用實(shí)例1：某油田抽油機(jī)采用變頻調(diào)速。采用倫茨變頻器，380v.55kw，一次改造128眼油井，收到了良好的節(jié)電，節(jié)電率在20%以上，增產(chǎn)效果亦較理想。

應(yīng)用實(shí)例2：臨盤(pán)采油廠游梁式抽油機(jī)應(yīng)用中壓三電平變頻器，1140v/75kw電動(dòng)機(jī)。在該廠34—4站，l45—15#上試驗(yàn)，節(jié)電效果良好。

3.2 潛油電動(dòng)離心泵抽油機(jī)的變頻調(diào)速

由于有桿深井泵采油不適用于：

●　油層厚度大；

●　出油能力強(qiáng)；

●　產(chǎn)液量高的油井。

而潛油離心電泵，具有排量大，揚(yáng)程高的特點(diǎn)，適應(yīng)大液量開(kāi)采的油田。

圖4 電泵裝置示意圖
1—變壓器；2—控制屏；3—接線盒；
4—井口；5—?jiǎng)恿﹄娎|；6—測(cè)壓閥；
7—單流閥；8—小扁電纜；9—多級(jí)離心泵；
10—油氣分離器；11—保護(hù)器；12—電機(jī)；13—測(cè)試裝置

圖4為潛油電泵裝置示意圖。

變頻器及電氣控制設(shè)備在地面上，電動(dòng)機(jī)和多級(jí)離心泵在幾千米的井下。

3.2.1潛油離心泵采用變頻調(diào)速的理由

1）頻率變化范圍（30～90hz）進(jìn)行系統(tǒng)試井，使電泵機(jī)組與油井產(chǎn)能以最佳匹配；

2）調(diào)整電泵排量，使之適應(yīng)油井供液情況，減少“起下泵”的次數(shù)；

3） 可實(shí)現(xiàn)低速軟起動(dòng)，逐步加速，延長(zhǎng)潛油泵機(jī)組的壽命。

3.2.2 潛油電泵專用變頻器特殊要求

因?yàn)橛途顢?shù)千米，變頻器與電動(dòng)機(jī)之間距離也是數(shù)千米，因此要求變頻器輸出波形為正弦波，諧波愈小愈好。否則線路壓降很大，電機(jī)無(wú)輸出力矩，拖不動(dòng)負(fù)荷。一般宜采用功率單元串聯(lián)的多電平完美無(wú)諧波變頻器（robicon電路）。

應(yīng)用實(shí)例：渤海石油公司，中海油集團(tuán)（中國(guó)海上石油、天然氣集團(tuán)公司）海上采油平臺(tái)，潛油電泵變頻調(diào)速。利德華福公司變頻器15臺(tái)，輸出1100v電壓，90a 運(yùn)行正常。電動(dòng)機(jī)15臺(tái)，輸入970v電壓，44a（電纜壓降≈230v）

4 油田注水泵站中的變頻調(diào)速

4.1為什么要注水？

我國(guó)多數(shù)油田的天然能量不足，所以都采用注水采油方法。分層注水向油層補(bǔ)充能量（以水驅(qū)油）保持油層壓力，是當(dāng)前提高采油速度和油田采收率一項(xiàng)應(yīng)用最廣的措施。特別是陸相沉積的油田，油層多，巖性變化大，分層注水是改善油田開(kāi)采狀況，提高采收率的重要措施。

4.2 注水泵站設(shè)備

注水站的作用和主要設(shè)備如圖5所示。

圖5 注水站流程示意圖

1—水源調(diào)來(lái)合格水；2—儲(chǔ)水罐；3—高壓泵；4—分水器；5—配水間；6—流量計(jì)

把來(lái)自水源并經(jīng)過(guò)處理合格的水，經(jīng)高壓注水泵升壓，以滿足注水井所需的注入壓力。然后通過(guò)輸出水管網(wǎng)，注入到油層中去。

4.3 油田工況需調(diào)流量

由于各個(gè)油田含油面積的大小，油層滲透率的高低和連通情況各不相同，因此要根據(jù)油田各自的特點(diǎn)選擇適宜的注水方式。及時(shí)掌握和調(diào)整泵壓輸水管線壓力。

4.4 變頻調(diào)速注水泵

油田注水泵站若采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，可以平滑無(wú)極地調(diào)節(jié)注水泵的出口壓力和流量?？刂葡到y(tǒng)能做到“恒壓力”供水或“恒流量”供水。省去既往采用的調(diào)節(jié)閥門(mén)方式，可以節(jié)能。

由于注水泵一般為6kv高壓，大容量800～2000kw，可以節(jié)能，效益好。

我國(guó)的大慶油田，早在60年代開(kāi)發(fā)初期就進(jìn)行人工注水，及時(shí)補(bǔ)充油層能量，使油田產(chǎn)量和氣油比保持穩(wěn)定。

5 油田中油氣集輸站變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用

油田各井坊采來(lái)的原油或天然氣，匯送至油田集輸站處理。收集各油井產(chǎn)出的原油（或天然氣）及其伴生物，經(jīng)分離、計(jì)量后匯集輸送至處理站。將油氣水分離和凈化，加藥，脫水，排污以及鍋爐蒸汽加熱，生活熱水等流程，達(dá)到規(guī)定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的原油和天然氣再集中外運(yùn)。

在油田集輸站內(nèi)變頻調(diào)速應(yīng)用場(chǎng)合舉例：

（1）油水分離裝置

恒定油水分界線高度控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)

（2）加藥泵裝置

恒定ph值控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)

（3）集輸站內(nèi)：原油泵變頻調(diào)速輸送系統(tǒng)；

天然氣變頻調(diào)速輸送系統(tǒng)；

液態(tài)烴變頻調(diào)速輸送系統(tǒng)。

（4）集輸站外:供蒸汽（熱水）鍋爐

鍋爐風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速；

鍋爐給水泵變頻調(diào)速。

6 長(zhǎng)距離輸油管道外運(yùn)——變頻輸油泵

原油的外運(yùn)可以通過(guò)火車（列車）油罐車、汽車油槽車、大型油輪或長(zhǎng)距離管道輸油泵。輸送的終點(diǎn)是煉油廠的原油庫(kù)或其他轉(zhuǎn)運(yùn)樞紐。

天然氣的向外輸送目前主要有兩種方法：

●　管路加壓輸送（可采用氣體壓縮機(jī)變頻調(diào)速）；

●　將天然氣液化成天然液化氣（lng），用專用油輪運(yùn)輸。

6.1 長(zhǎng)距離輸油泵調(diào)速的理由

（1）不同品種的原油，不同的介質(zhì)需要不同的流速。

（2）工況不同，需要改變流量。

由于管道里輸送原油的流量和粘度的變化會(huì)引起管道阻力變化，因此應(yīng)對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)于離心式輸油泵，因?yàn)榱髁颗c轉(zhuǎn)速成正比（q∝n），所以離心式輸油泵調(diào)節(jié)流量就可從調(diào)速方便實(shí)現(xiàn)。

表1 石油行業(yè)主要耗能設(shè)備節(jié)能潛力

7 中國(guó)石油天然氣行業(yè)變頻調(diào)速應(yīng)用前景分析

中國(guó)石油行業(yè)中的注水泵、潛油泵、抽油機(jī)、輸氣泵等都是高耗電設(shè)備，占行業(yè)用電量的80%以上，而耗電費(fèi)用在中國(guó)石油的成本中占了相當(dāng)大的份額，某種意義上講節(jié)電就是直接降低石油成本。因此，石油行業(yè)應(yīng)是推廣電機(jī)節(jié)能的重點(diǎn)行業(yè)。全國(guó)石油行業(yè)的各種泵及其他生產(chǎn)工藝上應(yīng)用的變頻器裝置超過(guò)120mw，年節(jié)電2億kwh，變頻裝置中90%以上部分1997年使用低壓變頻器，主要用在油田集輸和供水等系統(tǒng)。

據(jù)專家估計(jì)，石油行業(yè)如果全面推廣電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)，總節(jié)電潛力約為35億kwh。主要用電設(shè)備的節(jié)能潛力見(jiàn)表1。油田大功率的注水泵、長(zhǎng)輸管道輸油泵變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用還相對(duì)較少，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的潛力很大。

8 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速在煉油、化工裝置中的應(yīng)用

8.1石化、化工行業(yè)變頻應(yīng)用潛力分析

石化及化工行業(yè)安裝有大量的泵、風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)等通用機(jī)械，它們大部分靠電機(jī)拖動(dòng)，消耗大量電能和其他能源，這些產(chǎn)品使用變頻調(diào)速裝置并通過(guò)plc來(lái)控制，不但可以提高控制精度，使系統(tǒng)更加可靠，而且控制程序可隨工藝流程改變，便于與計(jì)算機(jī)接口實(shí)現(xiàn)分散網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，大大提高過(guò)程自動(dòng)化水平，而且節(jié)能潛力很大。

石化行業(yè)中煉油生產(chǎn)用風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)用電占其總用電量的90%，其中2/3是在變負(fù)載工況下運(yùn)行，采用變頻調(diào)速的平均節(jié)電率為52%。據(jù)調(diào)查，煉油廠風(fēng)機(jī)、泵的電費(fèi)已占煉油成本的10%。另外，全國(guó)石化行業(yè)用于高壓聚乙烯、各種氣體和液體的物流運(yùn)輸?shù)雀唠妷捍蠊β曙L(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)保有量在10000臺(tái)以上，電壓多為6kv，單機(jī)容量在200～5900kw。常壓電機(jī)采用變頻調(diào)速的節(jié)能回收期平均為1.8～2.2年，把高壓電機(jī)根據(jù)其容量適當(dāng)轉(zhuǎn)成不同電壓的低壓電機(jī)、中壓電機(jī)，就便于推廣變頻節(jié)電技術(shù)，節(jié)能潛力大約為30億kwh。

化工行業(yè)的化肥和基本化工業(yè)的耗電為437.5億kwh和408.9kwh，節(jié)電潛力為185億kwh，而且化工過(guò)程連續(xù)性很強(qiáng)，負(fù)荷經(jīng)常波動(dòng)，有調(diào)速需求；橡膠工業(yè)對(duì)固體加工時(shí)負(fù)荷變化幅度大，必須調(diào)速。經(jīng)有關(guān)實(shí)驗(yàn)，在大型化肥廠高壓甲銨泵上使用變頻器與使用液力變矩器進(jìn)行能耗比較，變頻器的節(jié)電率高出28.7%左右。

石油化工的生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)比較典型的工藝過(guò)程。其有明顯的連續(xù)性，其生產(chǎn)介質(zhì)大都是以流體（氣體和液體）為主，這些生產(chǎn)流體介質(zhì)從一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備，從一套裝置到另一套裝置，還需升壓、降壓、升溫、冷卻進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)行傳熱傳質(zhì)等過(guò)程，這些大量的流體輸送及其過(guò)程，就構(gòu)成了工藝過(guò)程的各基本單元操作。承擔(dān)流體輸送任務(wù)的就是按工藝需要所配置的風(fēng)機(jī)水泵和壓縮機(jī)。所以風(fēng)機(jī)、水泵在化學(xué)工業(yè)企業(yè)中，屬量大面廣設(shè)備。

8.2煉油、化工裝置采用變頻調(diào)速的理由

原因：（1）原設(shè)計(jì)的機(jī)泵選型都留有10%以上的余量；

（2）隨著生產(chǎn)加工量物料品種等工況的變化。實(shí)際需求功率也變化，電機(jī)的恒速運(yùn)行和機(jī)泵恒壓恒流的設(shè)計(jì)則導(dǎo)致電能浪費(fèi)，存在“大馬拉小車”現(xiàn)象；

（3）原先調(diào)節(jié)流量大多采用節(jié)流方式，造成大量的能量損失。機(jī)泵是煉化裝置的心臟。電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用最廣，數(shù)量最多的電氣設(shè)備，其大部分負(fù)載為機(jī)泵。據(jù)分析過(guò)去定速泵的消耗功率，其中30～40%被工藝物流吸收（作有用功），還有60%～70%的電能消耗于調(diào)節(jié)閥的節(jié)流壓降和出口閥門(mén)的壓降。因此，機(jī)泵節(jié)能的根本途徑在于如何使電氣傳動(dòng)控制方式與實(shí)際負(fù)荷相匹配，提高傳動(dòng)系統(tǒng)效率，降低節(jié)流損失，這就為變頻調(diào)速技術(shù)推廣應(yīng)用提供了廣闊空間。

9 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)2007年中國(guó)油氣論壇——油氣勘探新領(lǐng)域新技術(shù)研討會(huì)，認(rèn)為我國(guó)可能找到的石油資源為650多億噸，目前探明率僅為39%，可探明的天然氣資源為25萬(wàn)億立方米，目前探明率僅為24.6%。這些數(shù)據(jù)說(shuō)明中石油和中海油兩大集團(tuán)公司尚有發(fā)展很大空間，中石化集團(tuán)在煉油和石油化工行業(yè)上更需大力發(fā)展。

以上三大集團(tuán)國(guó)有企業(yè)是石化行業(yè)變頻器用戶的主體。目前，需求產(chǎn)品大量的是低壓變頻器（380v和690v）約占60～70%高壓變頻器（國(guó)外稱中壓變頻器，3.3kv 6.6kv,10kv）約占30%左右。從未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)及產(chǎn)品供貨情況的改善,高壓變頻器在石化行業(yè)的應(yīng)用會(huì)大大增加，變頻調(diào)速因其節(jié)能、安全、易控制等優(yōu)勢(shì)，必將成為石油化工行業(yè)電力拖動(dòng)的主流方式。尤其針對(duì)石油化工行業(yè)中高能耗,低產(chǎn)出的設(shè)備較多的情況，推廣應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，也是石油化工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要。

參考文獻(xiàn)（略）

作者簡(jiǎn)介

劉亮喜（1936-） 男 曾任中國(guó)紡織大學(xué)研究生導(dǎo)師 曾任上海石化公司設(shè)備動(dòng)力部高級(jí)電氣工程師。曾合編“變頻調(diào)速”、“風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能手冊(cè)”等書(shū)五本，公開(kāi)發(fā)表論文20余篇。