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变频调速技术在石化行业的节能应用

变频调速技术在石化行业的节能应用

2007/5/17 9:27:00
1 引言 近年来随着石化工业的迅速发展以及生产规模的不断扩大,能耗已成为石油化工企业加工成本的重要组成部分,直接影响一个企业的经济效益。而电耗又占能耗中的相当比例(据统计在20%~30%不等),石化企业85%以上的电力消耗在交流电动机上,交流电动机拖动的泵类,风机类负载又占大多数,以往采用调节阀门或风门的方法来调节流量或风量。从实际运行情况看,大部分电能都消耗在调节风门或阀门及管网的压力降上,造成电能的浪费。因此如何降低泵类、风机类的电耗是节能增效的重要环节。采用变频调速技术,将原有的阀门或风门挡板开至最大,通过调节机泵电机的转速即直接调节流量或风量来实现自动调节控制,能够更好地满足生产要求。在交流异步电动机的诸多调速方法中,变频调速的性能最好,调速范围大,静态稳定性好,运行效率高,节能效果显著,控制方法简单灵活。近年来随着电力电子技术的迅速发展,设备成本的大幅度降低,使变频调速装置在石化行业得到了广泛应用。下面以实例来说明变频器在石化行业的具体应用。 2 变频器在输油装置上的应用 由于油田生产的特点,输油站的规模一般都按照10年预测的最大产液量设计,同时机泵、管道还适当留有余量。因此投产的初、中期里,输送的液量远达不到设计能力,为了维持平稳生产,就只能用调节泵出口阀门来控制,因节流产生泵管压差偏大,造成能量损失,据测算一般损失在30%~40%。采用变频调速技术,可以完全消除上述弊病,不仅节能降耗、提高系统效率,而且还减轻工人的劳动强度、延长设备使用寿命,同时也使生产管理的自动化水平上一个新台阶。 2.1 输油泵调速节电的基本原理 典型的离心式油水泵在不同转速时输出特性曲线如图1所示。
图1图1 离心式油水泵在不同转速时输出特性曲线
He、Qe为额定转速ne下的额定扬程、额定流量;R1为泵出口阀完全放开时的管道阻力曲线;R2为泵出口阀节流控制时的管道阻力曲线;Hs—泵静止扬程。假定现在生产流量为Q1,需要关小泵出口阀门控制流量。其变化关系如H-Q曲线所示,此时流量由Qe变为Ql,扬程由He变为HB,管道阻力由Rl变为R2,工作点由A移到B。功率可用0Q1BHB所围面积所示,泵的轴功率为: PB=K(HBQl)/ηB kW 当泵出口阀门全放开用转速调节流量时,则(H-Q)e曲线平行下移与管道阻力曲线Rl相交于C点,这是交流调速的工作点。Pc点所消耗的功率由0QlCHc所围面积表示。 两块功率面积相比较可以看出,在流量Q1不变的状态下,不同的调节方法所需用的轴功率不同,调速比节流时轴功率小得多。节省的功率用公式表示为:
kW 所要求的功率P和流量Q可用图2中特性曲线表示。
图2图2 功率和流量特性曲线
在阀门控制中,即使流量已降低到Q1,但功率也只是从只略微减小到P2。两种控制方式的功率差 就是阀门损耗的能量。 根据离心泵的比例定律: Q2/Q1=n2/n1; H2/H1=(n2/n1)2; P2/P1=(n2/n1)3 即泵的排量与转速的一次方成正比,泵的扬程与转速的平方成正比,泵的轴功率与转速的三次方成正比。当转速下降50%时,轴功率将减少87.5%,因此采用调速技术来控制泵排量其节能效果是非常显著的。 2.2 变频调速装置的调速原理 电机的转速公式如下:
式中:s—转差率; p—电机极对数。 由上式可知,通过改变电机转差率s、极对数P、电机定子供电频率f1,均可改变电机转速。通过改变定子供电频率f1就可以改变电机同步转速n1,从而使电机转速n2变化。 变频调速装置的工作原理主要是:缓冲罐里的液位经信号变送器与液位控制器比较后传递给变频器,变频器里的电脑通过一系列的数据处理后,调整输出端三相交流电的频率,改变电动机的转速,控制输油泵的排量,实现系统平稳生产。 2.3 现场应用效果 通过在大庆油田有限责任公司第七厂采油目前输油系统安装变频器的使用,从节电效果看,安装变频后平均节电34.5%。负荷率低的节电效果较好。测试的11套变频器输油泵,装前年耗电380.77×104kWh,装后年耗电250.52×104kWh 年节电量130.25×104kWh,电费按0.445元/kWh计算,年节电费57.96×104元。平均每套装置年节电费5.27×104元。变频器安装以平均每台65kW计算,需投资约6.5×104元,则投资回收期为1.23年,节电效果显著。 3 变频器在地面驱动螺杆泵中的应用 随着我国油田开发的不断深入,稠油开采规模越来越大,地面驱动螺杆泵是开采稠油的重要生产方式。但螺杆泵稠油开采中出现的许多问题限制了其进一步发展,具体表现在: (1) 地面驱动螺杆泵启动时,转速瞬间提高,抽油杆产生很大的惯性扭矩。导致抽油杆承受的扭矩大于抽油杆的额定扭矩,抽油杆易拧断; (2) 螺杆泵停机时,抽油杆的扭矩载荷瞬时释放,抽油杆快速倒转,容易造成抽油杆脱扣退; (3) 螺杆泵在使用过程中容易产生泵抽空现象。 针对以上这些问题,油田纷纷采取相应的措施,其中变频调速装置在防止泵抽空现象时发挥了重大的作用。 螺杆泵防抽空变频装置,设计了两种开、关信号传送机构,可以使行程信号传送机构与外接的行程开关、电控箱配合使用,可以使旋转信号传送机构与电位器、变频电控箱配合应用,它根据油井的出液状态,通过螺杆泵防抽空变频装置,自动调节驱动电机的工作频率,当油井供液不足、产液量下降时,该装置开启量减小,变频装置将驱动电机的工作频率自动下调至合理的工作状态。螺杆泵软启动控制柜,因为具有软停功能,从而避免了传统停机时因螺杆泵自身存在的严重超速反转现象所造成的有时断杆、脱杆等机械事故的发生。 针对杏南油田低产井容易发生泵抽空现象,大庆油田采油五厂开发研制出螺杆泵防抽空变频装置。目前,这个装置在5口井上安装了螺杆泵变频防抽装置,通过现场试运行对比,在产液量基本不变的情况下,平均沉没度上升了136m,泵效提高了17.2%,扭矩下降了44Nm,控制装置也进行了停机保护,取得了良好的应用效果。 胜利油田海洋开发公司的CB11H平台、开发1号平台、2号平台、CB35平台也已经开始采用控螺杆泵防抽空变频装置。目前使用情况良好。 4 变频器在油田注水系统中的应用 目前变频调速技术在注水系统中,主要应用在供水水源井电潜泵、注水站注水泵、配水间增压泵工艺中。应用变频调速技术,对注水设备的电机转速进行调节,达到稳压、稳流供注水的目的。同时软起软停的功能代替了减压启动,使电机起停平稳,减少了对电网和机械设备的冲击,不会造成管网压力、流量、流速的剧烈变化,不需要阀门截流,因此对防止汽蚀、水击、喘振极为有利,可以延长管网、泵、阀门的维修周期和使用寿命。 4.1 注水泵应用变频调速技术 注水泵引入变频调速技术后,当注水井增加而用水量增大时,变频起动一台或多台注水泵同时运行在设定的注水压力参数下并对其中一台调速。当注水井有时需停注调整或进行维修而引起用水量下降时,注水泵自动减少台数并对其中一台调速,使其注水压力恒定。 4.2 使用变频器后经济效益分析 变量泵的功率P1供水量Ql与泵转速nl三者的关系如下: Pl/Ql=(nl/n)3; Ql/Q=nl/n 其中:Q为额定流量,Ql<Q; P为额定流量Q时的轴功率; n为水泵的额定转速。 因额定流量Q=100%时,n=100%,N=100%,若nl=90%n时Ql=90%Q。 Pl=72.9%P,即可节电27.1%。nl=80%n时 Ql=80%Q,Pl=51.2%P,即可节电48.8%。 4.3 系统优点 (1) 注水泵电动机采用软起动方式,按设定的加速时间加速,避免电动机启动时的电流冲击,对电网电压造成波动的影响,同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。 (2) 由于变量泵工作在变频工况,在其出口流量小于额定流量时,泵转速降低,减少了轴承的磨损和发热,延长泵和电动机的机械使用寿命。 (3) 恒压注水技术因采用变频器改变电动机电源频率,从而达到调节水泵转速改变水泵出口压力,比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式,具有降低管道阻力,大大减少截流损失的效能。 (4) 它的操作极为方便,根据注水量自动软起动多台泵同时运行,实现无节流恒压注水,在一定范围内任意设定注水压力参数,并实现压力自动闭环控制(范围10~16MPa),不需要操作人员频繁操作,降低了人员的劳动强度,节省了人力。 简单、高效、可靠的变频调速技术广泛应用在采油、潜油电泵、供水、锅炉和原油加工等生产上,已有相关文章对之进行了详细的论述,在此不在赘述。 5 变频调速器的选择和经济运行 经济合理地选用变频器包括两方面的内容。一是在满足工艺要求的前提下降低变频器容量以节省投资;二是在不增加变频器数量的前提下增加变频器的运行时间,即主机泵与备机泵合用一台变频器。 相对于电动机来说,变频调速器的价格还是比较贵的,因此在保证安全可靠运行的前提下,合理地降低变频调速器的容量以节省费用是很有必要的。 为了保证在任何情况下变频器均能正常运行,变频器生产厂家要求选用的变频器功率应大于或等于电动机额定功率的1.1倍。这一规定不大符合石化企业的具体情况,留有余量太大。炼油生产装置的许多机泵原来设计的余量就较大,用调节阀控制时电动机的负荷率不高,采用变频调速后调节阀两端的压差损失可节省下来,机泵消耗功率将变得更小。因此,变频调速器的容量选择完全有可能不以电动机的额定功率为依据。 合理的选择方法应以生产装置中各机泵的实际运行情况为基础进行计算和分析,决定变频调速
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