本文阐述了变频调速技术在石油化工行业中的应用，对不同形式的抽油机、油田注水泵站、油气集输站以及炼油、化工装置对变频应用的需求分别加以分析，并给出部分采用博世力士乐变频器的实例。
［摘要］： 地质勘探到石油或天然气矿源，需要钻井地下数千米，开采到原油或天然气。因此，钻一个发现井（评价井），几个试验井以及大量的生产井，这样方才形成一定规模的油田井坊。

1 引言
自二十世纪八十年代以来，变频调速技术已广泛地应用于我国国民经济的各行各业，石油化工行业也不例外。不管是原油、天然气的开采，还是炼油、化工装置，直至下游Zui终化纤、塑料、化肥等大量工艺都应用了变频调速技术（特别是合成纤维工业，变频几乎是唯一方案）。石油化工行业应用变频调速技术的理由有两个：
第一，生产工艺要求调速运行，提高产量和质量；
第二，节能减排、环境保护的需要。由于石油化工行业有众多的离心式风机、泵类和气体压缩机，调速方式改变流量可以节省可观的电能，节电的同时也有效减排有害气体，实现环保。

2 变频调速在石油钻机中的应用（变频石油钻机）
地质勘探到石油或天然气矿源，需要钻井地下数千米，开采到原油或天然气。因此，钻一个发现井（评价井），几个试验井以及大量的生产井，这样方才形成一定规模的油田井坊。
石油钻机是石油开采的重要设备。钻机过去有柴油发电机组，交流电网供电及直流驱动钻机，目前交流变频钻机已成为新型电驱钻机，它具有诸多直流钻机无法企及的优越性，是石油钻机今后发展的趋势。
2.1石油钻机变频调速应用实例
应用实例：延长石油管理局井下钻井公司3000米深度的钻机。采用博世力士乐（西安）电子传动与控制有限公司fecg02?1­315k­3p400型变频器，3φ，380v，315kw、650a。使用效果良好。
2.2石油钻机采用变频调速技术的理由
（1）不同的断层地质，应有不同的钻机速度。通过调节转盘转速和钻进压力，从而改变钻机的钻进速度。
（2）变频调速可以实现软起动，减小电流冲击，避免巨大的电磁应力和机械应力，延长钻机的使用寿命。
（3）鉴于钻机工况的特殊性，当钻机遇到岩石等硬质层时，会发生卡机情况，电流会急剧上升。由于采取了灵敏电流传感器取样及功率模块igbt管结压降保护措施，变频器会在极短的时间内封锁输出，从而保护钻机设备。

3 采油用抽油泵和潜油泵的变频调速系统
采油工作任务就是Zui大限度地将原油从油层中采到地面上来，油井是连结油层和地面的通道。
采油方法是指将流到井底的原油采到地面上所用的方法。
采油方法一般有二种：
1）自喷采油（利用油田内的本身能量）；
2）人工举升采油（利用外界能量），或称机械采油。
由于我国多数油田的天然能量不足，自喷采油方法很少见，而采用两种抽油机——杆泵往复式抽油机（又称磕头式抽油机）及地下潜油离心式电动泵抽油机。

图3为磕头式抽油装置示意图：
●　地石阶 旋转运动变为往复运动；
●　抽油杆 （约8米长）连接驴头和深井泵；
●　活塞式 （容积式）深井泵。
变频调速游梁式抽油机，驱动电动机由变频器供电，不需要机械变速挡和调节过程。若采用变频调速的游梁式抽油机，无极平滑调节电机转速，即可调节深井泵的抽液量。其间不需要停机更换皮带盘，也无需改变深井泵活塞的冲程，还可以实现电动机软起动。
采用变频调速系统，可使抽油机动态适应油井负荷变化，也可方便地进行参数调节以实现Zui经济的控制。同时其软起动性能好，可延长抽油机寿命，减少维修费用。
应用实例：延长石油靖边、衡山等采油厂抽油机采用变频调速。采用博世力士乐变频器，3 φ， 380v，5.5kw及5.5kw，一次改造128眼油井，收到了良好的节电效果，节电率在20%以上，增产效果亦较理想。
3.2 潜油电动离心泵抽油机的变频调速
有杆深井泵采油不适用于：
●　油层厚度大的油井；
●　出油能力强的油井；
●　产液量高的油井。
而潜油离心电泵具有排量大，扬程高的特点，适用于大液量开采的油田。

图4为潜油电泵装置示意图。
变频器及电气控制设备在地面上，电动机和多级离心泵在几千米的井下。

3.2.1潜油离心泵采用变频调速的理由
1）频率变化范围（30~80hz）进行系统试井，使电泵机组与油井产能达成匹配；
2）调整电泵排量，使之适应油井供液情况，减少“起下泵”的次数；
3）可实现低速软起动，逐步加速，延长潜油泵机组的寿命。
3.2.2 潜油电泵专用变频器的特殊要求
油井深达数千米，变频器与电动机之间距离也是数千米，因此要求变频器输出波形为正弦波，谐波愈小愈好，否则线路压降很大，电机无输出力矩，拖不动负荷。一般宜采用功率单元串联的多电平完美无谐波变频器。
应用实例：渤海石油公司，中海油集团（中国海上石油、天然气集团公司）海上采油平台，潜油电泵变频调速。利德华福公司变频器15台，输出1140v电压，90a，运行正常。电动机15台，输入970v电压，44a（电缆压降≈230v）。

4 油田注水泵站中的变频调速
4.1为什么要注水？
我国多数油田天然能量不足，须采用注水采油方法。分层注水向油层补充能量（以水驱油）保持油层压力，是当前一项应用Zui广的提高采油速度和油田采收率的措施。尤其是陆相沉积的油田——油层多，岩性变化大，分层注水是改善油田开采状况，提高采收率的重要措施。
4.2 注水泵站设备
注水站的作用和主要设备如图5所示。

把来自水源并经过处理合格的水，经高压注水泵升压，以达到注水井所需的注入压力；然后通过输出水管网，注入到油层中去。
4.3 油田工况需调流量
由于各个油田含油面积的大小，油层渗透率的高低和连通情况各不相同，因此需要根据油田各自的特点选择适宜的注水方式，及时掌握和调整泵压输水管线压力。
4.4 变频调速注水泵
油田注水泵站若采用变频调速系统，可以平滑无极地调节注水泵的出口压力和流量；控制系统能做到“恒压力”供水或“恒流量”供水；省去既往采用的调节阀门方式，可以节能。注水泵电机一般为3相380v，额定功率在90~250kw。也有高压大容量电机，如6kv高压，功率为800~2000kw。可以节能，效益好。
应用实例：延长石油靖边、衡山等采油厂注水泵采用变频调速。采用博世力士乐变频器，3 φ，380v，160kw，先后共改造90余台注水泵，收到了良好的节电效果，节电率在30%以上，注水压力稳定。

5 油田中油气集输站变频调速技术应用
油田各井坊采来的原油或天然气，汇送至油田集输站处理。各油井产出的原油（或天然气）及其伴生物，经分离、计量后汇集输送至处理站。油气水经过分离和净化，加药，脱水，排污以及锅炉蒸汽加热，生活热水等流程，成为达到规定质量标准的原油和天然气，再集中外运。
在油田集输站内变频调速应用场合举例：
（1）油水分离装置
恒定油水分界线高度控制的变频调速系统
（2）加药泵装置
恒定ph值控制的变频调速系统
（3）集输站内：原油泵变频调速输送系统；天然气变频调速输送系统；液态烃变频调速输送系统。
（4）集输站外：供蒸汽（热水）锅炉
锅炉风机变频调速；锅炉给水泵变频调速。

6 长距离输油管道外运——变频输油泵
原油的外运可以通过火车（列车）油罐车、汽车油槽车、大型油轮或长距离管道输油泵。输送的终点是炼油厂的原油库或其他转运枢纽。
天然气的向外输送目前主要有两种方法：
●　管路加压输送（可采用气体压缩机变频调速）；
●　将天然气液化成天然液化气（lng），用专用油轮运输。
6.1 长距离输油泵调速的理由
（1）原油品种不同，介质不同，需要不同的流速。
（2）工况不同，需要改变流量。
由于管道里输送原油的流量和粘度的变化会引起管道阻力变化，因此应对流量进行调节。对于离心式输油泵，基于流量与转速成正比，离心式输油泵调节流量可以通过调节转速而方便实现。

7 中国石油天然气行业变频调速应用前景分析
中国石油行业中的注水泵、潜油泵、抽油机、输气泵等都是高耗电设备，占行业用电量的80%以上，而耗电费用在中国石油的成本中占了相当大的份额，某种意义上讲节电就是直接降低石油成本。因此，石油行业应是推广变频节能的重点行业。全国石油行业的各种泵及其它生产工艺上需要应用的变频器功率相当大，如果全部安装变频器，年节电量不容忽视。但是目前在油田设备中，变频器主要用于油田集输和供水等系统。
据专家估计，石油行业如果全面推广电机调速系统节能技术，总节电潜力约为30多亿kwh。目前油田大功率的注水泵、长输管道输油泵中，变频调速技术应用还相对较少，进一步开发的潜力较大。

8 延伸：交流电动机变频调速在炼油、化工装置中的应用
8.1石化、化工行业变频应用潜力分析
石化及化工行业安装有大量的泵、风机和压缩机等通用机械，它们大部分靠电机拖动，消耗大量电能和其他能源。而这些产品使用变频调速装置并通过可编程控制器来控制，不但可以提高控制精度，使系统更加可靠，而且控制程序可随工艺流程改变，便于与计算机接口实现分散网络监控，从而可以大大提高过程自动化水平，而且节能潜力很大。
石化行业中炼油生产用风机、泵、压缩机用电占其总用电量的90%，其中2/3是在变负载工况下运行，采用变频调速的平均节电率为46%。据调查，炼油厂风机、泵的电费已占炼油成本的10%。另外，全国石化行业用于高压聚乙烯、各种气体和液体的物流运输等的高电压大功率风机、泵、压缩机保有量在10000台以上，电压多为6kv，单机容量在200~5900kw。常压电机采用变频调速的节能回收期平均为1.8~2.2年，把高压电机根据其容量适当转成不同电压的低压电机、中压电机，就便于推广变频节电技术。
化工行业的化肥和基本化工业的耗电为437.5亿kwh和408.9kwh，节电潜力为135亿kwh。而且化工过程连续性很强，负荷经常波动，有调速需求；橡胶工业对固体加工时负荷变化幅度大，必须调速。经有关实验，在大型化肥厂高压甲铵泵上使用变频器与使用液力变矩器进行能耗比较，变频器的节电率高出28.7%左右。
石油化工的生产过程是一个比较典型的工艺过程。其有明显的连续性，其生产介质大都是以流体(气体和液体)为主，这些生产流体介质从一个设备到另一个设备，从一套装置到另一套装置，还需升压、降压、升温、冷却进行化学反应，进行传热传质等过程，这些大量的流体输送及其过程，就构成了工艺过程的各基本单元操作。而承担流体输送任务的就是按工艺需要所配置的风机水泵和压缩机。所以风机、水泵在化学工业企业中，属量大面广设备。
8.2炼油、化工装置采用变频调速的理由
（1）原设计的机泵选型都留有15%以上的余量；
（2）随着生产加工量物料品种等工况的变化，实际需求功率也变化，电机的恒速运行和机泵恒压恒流的设计则导致电能浪费，存在“大马拉小车”的现象；
（3）原先调节流量大多采用节流方式，造成大量的能量损失。机泵是炼化装置的心脏。电动机是应用Zui广，数量Zui多的电气设备，其大部分负载为机泵。据分析，过去定速泵的消耗功率，其中30~40%被工艺物流吸收（作有用功），还有60%~70%的电能消耗于调节阀的节流压降和出口阀门的压降。因此，机泵节能的根本途径在于，使电气传动控制方式与实际负荷相匹配，提高传动系统效率，降低节流损失，这就为变频调速技术的推广应用提供了广阔空间。

9 结语
2007年中国油气论坛——油气勘探新领域新技术研讨会认为，我国可能找到的石油资源为650多亿吨，目前探明率仅为39%；可探明的天然气资源为25万亿立方米，目前探明率仅为24.6%。这些数据说明，中石油和中海油两大集团公司尚有很大发展空间，而中石化集团在炼油和石油化工行业上更需大力发展。
以上三大集团国有企业是石化行业变频器用户的主体。据相关人士调查统计，目前，需求产品量较大的是低压变频器和中压变频器（380v和690v）（约占总量的65~75%），而高压变频器（3.3kv、6.6kv、10kv）约占30%左右。变频调速因其节能、安全、易控制等优势，必将成为石油化工行业电力拖动的主流方式。针对石油化工行业等高能耗、低产出、设备较多的情况，推广应用变频调速技术，也是应对了行业可持续发展的需要。
博世力士乐是的传动与控制技术专家。凭借在传动、控制及运动领域内的丰富经验，公司以力士乐为品牌，为全球80多个国家，50多万家客户提供量身定制的解决方案，是世界工业设备及工厂自动化、行走机械应用与可再生能源市场的合作伙伴。作为博世集团的全资子公司，2009年全球销售额近41亿欧元，拥有超过34,200多名专业员工。
自1978年开始，博世力士乐就开始了在中国的业务，并在北京、常州和西安建立了工厂。

3.1 游梁式抽油机（又称磕头式抽油机）的变频调速
3.1.1 游梁式抽油机的结构
抽油机是抽油井地面机械传动装置，它和抽油杆、抽油泵配合使用，能将井下原油抽到地面。按照结构和工作原理不同，抽油机可分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。目前油田主要使用游梁式抽油机。
3.1.2 抽油机的工作原理
由电机供给动力，经减速装置将马达的高速旋转变为抽油机的低速运动，并由曲柄——连杆——游梁机构将旋转运动变为抽油机的往复运动，带动深井泵工作。
3.1.3 抽油机调节抽油量的方法
抽油机井下深井泵（有管式泵和杆式泵两种），其结构如图1所示。
深井泵的工作原理：当活塞上行时，吸液体入泵，排液体出井；活塞下行时，泵筒内液体转移入油管内，不排液体出井。从油井采出的水是由无到有，由低到高；而采出的原油则由高到低逐步下降。因此，抽油机应根据井下含水的上升，不断地加大抽液量，见图2。