变频设备的合理应用(龚洁论文)

PAGEPAGE102012年大港油田节能节水论文题目：变频设备的合理应用作者姓名：龚洁作者单位：大港油田采油三厂电力管理中心论文完成时间：2012年04月26日变频设备的合理应用摘要：通过变频调参与自动控制，可以使所带负载各项参数保持稳定，同时输出功率始终与负载功率保持一致，消除“大马拉小车”所导致的电能浪费，但变频设备也有一定的经济运行区间，在经济运行区间以外，不仅浪费电能，极端情况下，甚至不能达到调参的目的。本文第一部分介绍了变频自身的耗电原因。第二部分结合油田实际，对变频设备的经济运行进行探讨。第三部分介绍了变频与自动调温装置相结合在井口、大站加热炉燃油系统管道电加热棒的应用关键字：变频自身损耗变频经济运行变频与自动调温装置相结合在井口、大站加热炉燃油系统的应用前言采油三厂现有各类变频装置280余台，涵盖采、注、输、掺、电加热等各系统，是自动化控制系统中的核心部件。通过变频调速与自动控制，使系统各项参数保持稳定，同时变频输出功率始终与负载功率保持一致，消除了机泵“大马拉小车”所导致的电能浪费。但变频设备也有一定的经济运行区间，在经济运行区间以外，由于变频及机泵设备空载损耗在整个系统中所占比例较大，导致变频系统的节能作用降低，严重情况下，不仅浪费电能，甚至不能达到调参的目的。为了充分发挥变频的调参与节能作用，延长变频与机泵设备的使用寿命，本文结合油田实际介绍了变频设备在各种负载下经济运行的条件及注意事项，同时着重介绍了采油三厂与相关单位共同研制的变频与自动调温装置相结合在管道加热系统的应用，重点解决高耗能电加热器设备因为加热温度、加热功率不能自动调整所导致的电能浪费。第一部分变频自身损耗一、变频自身损耗的构成变频主机的作用是改变电源供电方式，即将额定电压380V、额定频率50Hz的三相交流电，通过整流——逆变，为负载提供一个频率与电压都连续可调的三相交流电源。在整流——逆变，以及制动过程中都要消耗热能，通过风机散热还要消耗风能。变频的自身损耗主要是热能，热能的消耗主要在逆变环节，而逆变环节耗能的多少又跟负载的运行电流与变频的载波频率有关。负载运行电流越高，逆变环节甚至整个变频主机的耗热量越高，而载波频率产生的热量相对稳定。对于每一台变频，载波频率一旦设定，在运行过程中不会改变。但载波频率设定值越高，IGBT管的开关速度越快，其消耗的功率与发热量也越高。目前常用的G11S/P11S系列变频设备的载波频率一般在0.75kHz—15kHz，即IGBT管每秒钟的开关次数达到750—15000次。载波频率设定值小，输出电流波形变差（高次谐波分量增加），电动机损耗增加，电动机温度增高。例如设定0.75kHz，电动机转矩约减小15%。载波频率设定值大时，IGBT管开关次数增加，变频器损耗增加，变频主机温度增高。风能主要用于变频主机散热，根据主机功率的大小不同，风扇的装机数量与装机功率也不相同，主机功率越大，风扇个数越多，装机功率越大。以185kw注水泵变频为例，配备220V与24V风扇各4个，装机功率150w左右。二、几种常见变频的自身损耗（一）带注水泵时变频的自身损耗注1在变频50Hz满负荷运行与工频运行相比，多消耗功率5.5kw，单耗增加0.42kw.h/m3，折合每天多消耗电量220kw.h。（见下表）。带电泵井离心泵时变频的自身损耗在14-8-3井电泵变频计量对比，变频50Hz满负荷运行与工频运行相比，每天多消耗440kw.h，折合消耗功率高18.3kw，吨液单耗增加5.4kw.h/m3。注1：由于不具备实验室检测条件，通过变频生产厂家也无法得到变频主机在各种工况、各种频率运行条件下的自身损耗，目前只能通过现场检测与电力计量数据来初步掌握变频主机的自身损耗。第二部分变频经济运行变频带地面泵类负载时的经济运行通过官二联9#注水泵检测对比（见下表），在相同压力条件下，变频的经济运行区间在25-40Hz，扩大范围在20-45Hz，在不同频率区间时的状况如下。1、当运行频率低于20Hz时，泵的排量较低，负载消耗功率较低，但变频与机泵设备的自身损耗占整个系统消耗功率的比重较高，导致注水单耗大幅增加。以上表为例，与30-40Hz单耗对比，增加0.78-0.99kw.h/m3。2、当运行频率在30-40Hz时，泵的排量较高，负载消耗功率较低，单耗较低且变化范围较小，变频调参与节能效果最佳。3、当运行频率在47Hz时，泵的排量接近变频最大值，与工频运行排量对比相差较大，而消耗功率与工频运行消耗功率基本持平。4、当47Hz<运行频率<50Hz时，变频调参范围极小（泵的排量变化极小），且处于浪费电能的状态（负载消耗功率大幅增加，多消耗的电能>调参节能量）。5、50Hz满负荷运行时，变频失去调参作用，且浪费电能最大，此时变频器成为一个完完全全的用电器。变频带井筒举升泵类负载时的经济运行通过小14-8-3电泵井电力自动计量数据对比（见下表），在相同油压条件下，变频的经济运行区间在35-43Hz左右，扩大范围在30-45Hz，在不同频率区间时的状况如下。1、当运行频率低于30Hz左右时，由于泵的实际扬程大幅度降低，不能将液体举升到井口，产液量为零，单耗为零。注22、当运行频率在35-43Hz时，泵的排量较高，负载消耗功率较低，单耗较低且变化范围较小，变频调参与节能效果最佳。3、当运行频率在46-47Hz时，泵的排量与耗电量以及产液单耗与工频运行持平。4、当47Hz<运行频率<50Hz时，变频调参范围极小（泵的排量变化极小），且处于浪费电能的状态（负载消耗功率大幅增加，多消耗的电能>调参节能量）。5、50Hz满负荷运行时，变频失去调参作用，且消耗功率大幅增加，浪费电能最多，此时变频器成为一个完完全全的用电器。注2：由于每口井的额定扬程与泵挂深度不同，其井口不出液体的最低频率也略有不同。变频高、低频（经济区间外）运行对设备的影响1、高频（接近或达到额定频率）运行对设备的影响。变频高频运行时，主要对变频主机产生高温，使主机寿命严重下降。其主要原因是，随着运行频率上升，负载运行电流增加，通过变频主机的运行电流同样增加，而导致开关管及其它部件耗热量增加。2、低频运行对设备的影响。而变频低频运行时，主要使电机产生高温，使电机寿命下降。其原因是低频运行时一方面高次谐波增加，导致电机发热量增加，另一方面电机转速过慢、风扇散热不良，导致电机温度升高。第三部分变频与自动调温装置相结合在管道加热系统的应用一、管道电加热器应用现状及存在问题采油三厂现有井口及大站加热炉燃油系统用管道电加热器近110台（仅09年4月南采开发公司所辖油井划归三厂既新增井口管道电加热器23台），冬季日耗电量达7万度（含线路网损与上级网损），夏季达1.5万度，年耗电量达1500万度，是典型的高耗能设备。应用特点加热功率的大小与运行电压有关，电压越高，耗电功率越高。电加热器采用涡流感应原理加热，加热功率与电压成正比。电压每提高1%，加热功率提高2%。以官84-8井为例，相电压258V（系统电压较高，调到一档后电压下降到242V），额定功率20kw的电加热棒实际加热功率达到30kw（HS—8型电力测试仪检测结果），与额定工况对比，每天多耗电量240kw.h，综合线路网损与上级网损，日耗电量增加272kw.h。受地方水井阶段性用电影响，南部电网系统电压整体波动较大，不允许频繁停井调电压。（见下表）2、额定功率是指电压为370V时的功率，也就是说，在电网电压380V时，其实际功率已经超过额定功率的6%。3、控制方式落后，导致电能浪费。目前管道电加热器都采用温度控制，分单一设定值与上下限设定两种控制方式。（1）单一设定值控制。即指针式温控器控制，加热器的启、停仅受一个设定值控制，超过该设定值即加热运行，低于该设定值停止加热。（2）上下限设定值控制。即设定上限、下限两个温度，当加热温度高于上限值时停止加热，低于下限值时加热启动。两种控制方式存在同样问题，即：首先是不能适应气温变化，为确保原油的平稳输送，控制温度的设定值都是以满足夜间最低的环境温度为标准，这就导致在白天气温较高时存在部分加热浪费，直接表现为产出液加热温度过高，回油温度过高。同时，电加热器的加热功率不能调整，在温度设定值超出实际需求温度时，过高的加热功率使电加热器频繁启、停，与气温相差越大，热量散失越多。控制管道电加热器用电所采取的措施1、采用自动管道加热器与真空相变炉取代井口电加热棒，但具有一定的局限性。（1）两种设备都依托单井套管气加热，受气量的影响较大，进入冬季部分井凝析气减少，需要重启电加热棒加热，仍然导致电能浪费。（2）当气量逐渐减少时，点火难度增加，火焰燃烧的可靠性下降，存在安全隐患，08年作业六区因此问题多台燃气炉长期停运。（3）价格较高，维护难度较大。自动管道加热器单价在2万元左右，真空相变炉单价在7.5万元左右（注3），两种加热炉通过明火直接或间接加热，燃烧温度较高，易损件较多，维护成本及难度较大。采油三厂从2005年陆续推广应用此两种产品，到08年底即有5台自动管道加热器、3台真空相变炉报废，6台管道加热器、6台相变炉待修。2、加强管理，缩短电加热器运行时间。多年以来，尽管工艺、电力部门及基层管理班站通过加密温度设定值的调整次数来减少气温的影响，但根本无法适应24小时甚至更长时间内环境温度的变化所造成的温度损失，且受人为因素的影响极大。注3：该数据摘自2006年大港油田电力论文汇编。二、变频与自动调温装置相结合在井口、大站加热炉燃油系统的应用尽管通过大量的工作，使目前的管道电加热器总量较往年已经明显减少，但由于部分油井原油物性差，始终不能彻底停用电加热，为使用电更加合理，需要依据气温变化，研制能够自动调整加热控制温度与加热器运行功率的办法与技术手段。采油三厂电力管理中心技术人员经过近四个月的探索，反复试验与改进，已经研制成功包括依据大气温度自动调整设定温度的工频加热柜，依据大气温度自动调整设定温度与加热功率的可控硅调压调功率控制柜，依据大气温度自动调整设定温度与加热功率的变频控制柜等系列产品。因电加热器变频恒温控制柜具有技术最成熟、运行最稳定、节能效果最佳，以及具有现成的维护网络等多重特点，在此进行重点介绍。（一）电加热器变频恒温（使站上回油温度基本保持恒定）控制技术的特点电加热恒温变频控制技术以常规变频器为核心，用两个温度传感器分别采集大气温度与电加热器出口温度，两个PID调节器对温度信号进行处理：当大气温度变化时，电加热出口设定温度值相应调整（呈反比例对应关系），变频器根据电加热出口设定温度与实际温度的差值情况相应调整输出功率，最终实现回油温度基本保持稳定。电加热器变频恒温加热，彻底解决了单一设定温度值不能与大气温度相适应的问题，随着气温的升高，加热功率随之降低，管线内原油温度随着气温的变化可相应变化，消除了多余电能损耗。电加热器变频恒温控制现场应用效果通过家39-63井23天时间的试验结果表明，与常规电加热器（家43-61）控制方式相比，平均日节电量209.7kw.h（计量数据为电力自动计量与传输数据），节电率达55.8%（两台电加热棒额定功率均为20kw，处于同一区块、同一条供电线路、管线距离基本相等，其原油物性相近、运行电压相等、管线散热相近。经检测，在工频运行时，实际加热功率同为23kw，日耗电量均在550kw.h）。在家39-63井完全依据气温变化自动控制设定温度与加热功率，至4月27日日均耗电为165.3kw.h（从4月5日日耗电380kw.h下降到最低一天4月15日仅43kw.h；与3月上旬对比，日耗电量下降500kw.h）。而同期家43-61采用常规电加热控制，日均耗电量为375.9kw.h（从4月5日的524kw.h降到4月19日的最低值270kw.h）。（三）效益分析该产品采用30kw常规变频，可适应常规20kw与30kw两种管道电加热器，因具有自主知识产权，单台价格低于2.5万元，按单台日节电220度计算（平均节电率40%），单井年可节电8万度（不含线路网损与上级网损），折合电费5.48万元。投资回收期仅0.45年。因电加热器采用变频启动无冲击电流，运行电流平稳，使电加热器与变频器的使用寿命远远超过燃气炉等节能产品的使用寿命，而运行条件不受任何限制。采油三厂全厂推广应用，年节电规模可达500--600万度，在整个石油系统推广应用，将产生巨大的经济效益。结论：检测与计量结果表明，变频在不同条件下使用，具有不同的经济运行区间，根据用途不同，要合理的配备与使用变频。1、地面泵类负载采用变频电源时，应注意优化运行参数与泵的组合，使变频在经济区间内运行，禁止47Hz以上高频与20Hz以下低频运行。2、电泵井采用变频电源时，因电泵变频具有造价高，调频