變頻調(diào)速技術(shù)在外輸泵系統(tǒng)中的節(jié)能應(yīng)用

【摘要】在油田生產(chǎn)中，注水站安裝的外輸泵的額定排量往往大于實(shí)際需要排量，在實(shí)施注水過程中，面臨系統(tǒng)壓力難以調(diào)節(jié)，啟動(dòng)電流過大，電能損耗大等難題。如果使用變頻調(diào)速器，可以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，保護(hù)外輸設(shè)備的功效，并通過實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證了變頻器在外輸泵中有明顯的節(jié)能效果。

【關(guān)鍵詞】外輸泵；變頻調(diào)速；節(jié)能

1、變頻器節(jié)能原理

1.1 變頻器是交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的一種。是將交流工頻電源轉(zhuǎn)換成電壓、頻率均可變的、適合交流電機(jī)調(diào)速的電力電子變換裝置，變頻器改變異步電機(jī)的供電頻率，就可以改變其同步轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。它的平滑軟啟動(dòng)，降低了啟動(dòng)沖擊電流，減少變壓器占有量，確保電機(jī)安全；在機(jī)械允許的情況下，可通過提高變頻器的輸出頻率提高工作速度；無級(jí)調(diào)速，調(diào)速精度大大提高；電機(jī)正反向無需通過接觸器切換；非常方便接人通信網(wǎng)絡(luò)控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化控制。

1.2 對(duì)于驅(qū)動(dòng)水泵的異步電動(dòng)機(jī)，并不是經(jīng)常處于滿載運(yùn)行狀態(tài)地，即輸出流量是變化的。由于這類負(fù)載所消耗的功率與其流量和壓力的乘積成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，所以功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。因此，電機(jī)帶風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載時(shí)的功率平衡關(guān)系為：

電磁功率=機(jī)械負(fù)載功率+轉(zhuǎn)差功率

當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速降低，軸功率隨轉(zhuǎn)速三次方迅速降低，電磁功率隨轉(zhuǎn)速二次方降低。同時(shí)，還可以回收轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率，所以節(jié)能效果顯著。

2、外輸泵現(xiàn)狀及存在的問題分析

2.1 油田采油廠外輸泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)在用電設(shè)備中占整個(gè)用電設(shè)備用電量的30%-40%。而根據(jù)實(shí)際管網(wǎng)運(yùn)行情況來看，機(jī)泵耗電有效功率僅占30%-40%，而60%-70%的電能都消耗在調(diào)節(jié)閥門及管網(wǎng)的壓力降上，又由于用量常有變化，因此，機(jī)泵的實(shí)際總效是很低的，為此，用變頻器提高機(jī)泵的效率是至關(guān)重要的。

2.2 外輸泵的啟動(dòng)方式直接影響著外輸設(shè)備及其電動(dòng)機(jī)的使用壽命，原采用硬啟動(dòng)方式，是在電動(dòng)機(jī)額定頻率下直接啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大，對(duì)電網(wǎng)及設(shè)備產(chǎn)生很大的沖擊，增加了電機(jī)及設(shè)備的轉(zhuǎn)差損耗，啟動(dòng)靜阻力鉅較大，久而久之對(duì)電機(jī)產(chǎn)生巨大的破壞作用，極易造成電機(jī)軸頸斷裂，線圈燒壞等故障。

3、解決方案

3.1 設(shè)計(jì)一套由1只壓力傳感器，1個(gè)PLC可編程控制器及變頻器控制柜組成的負(fù)荷控制系統(tǒng)。自外輸泵出口引壓力變送器檢測(cè)的4～20mA信號(hào)傳至PLC控制器，變頻器按照設(shè)定值規(guī)定操控執(zhí)行器去控制外輸泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即可完成加/減載操作的自動(dòng)控制，并實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷在任一設(shè)定壓力值下的穩(wěn)定控制。

3.2 外輸泵可根據(jù)當(dāng)時(shí)泵出口壓力的大小（使用壓力變送器信號(hào)）及時(shí)調(diào)整泵的外輸排量的大小，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使泵的出口壓力始終保持一個(gè)最佳的工藝常數(shù)，實(shí)現(xiàn)了外輸泵與實(shí)際工況匹配。另外該裝置選擇恒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了加減速啟動(dòng)和停止，避免了大的啟動(dòng)電流對(duì)電器及設(shè)備的沖擊。輸出了波形接近正弦波、諧波分量較少，極大的減少了電機(jī)的附加損耗，幾乎沒有裝讓差損耗，系統(tǒng)效率相對(duì)較高。

4、變頻節(jié)能系統(tǒng)的優(yōu)越

4.1 實(shí)現(xiàn)了電機(jī)軟起動(dòng)、自由停車。電機(jī)均通過變頻器，從0～50Hz作緩慢加速起動(dòng)，可減少機(jī)泵因突然高速起動(dòng)所帶來的影響，減少了直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

4.2 變頻器運(yùn)行時(shí)的所有數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)在值班室內(nèi)微機(jī)的顯示屏就可直觀地了解：如運(yùn)行頻率、泵口及管網(wǎng)水壓、變頻器輸入、輸出側(cè)的電壓、電流、開環(huán)或閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)等；只需掌握計(jì)算機(jī)最基本的操作，即可完成水壓或頻率的給定、加減速、啟泵與停泵的操作等。即使操作失誤，相應(yīng)的保護(hù)功能也很完善。

4.3通過變頻器實(shí)現(xiàn)水壓閉環(huán)控制，保持管網(wǎng)水壓的恒定，實(shí)現(xiàn)了壓力自動(dòng)控制，被調(diào)節(jié)量得到更平穩(wěn)的調(diào)節(jié)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。工控機(jī)監(jiān)控整個(gè)運(yùn)行中的電壓、電流、頻率等，便于發(fā)生故障時(shí)及時(shí)找到原因，最大限度地保證水泵的正常運(yùn)行。

4.4記錄了各個(gè)水泵運(yùn)行時(shí)在各個(gè)頻率段的流量與單耗的對(duì)比，最大限度地發(fā)揮了變頻節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。消除了泵的喘振現(xiàn)象，使泵運(yùn)行處于最佳工況狀態(tài)。

5、變頻節(jié)能綜合效益分析

變頻節(jié)能系統(tǒng)在中原油田、江漢油田試運(yùn)行兩年，整體節(jié)能效果比較明顯。通過對(duì)注水外輸泵節(jié)能效果進(jìn)行分析。

變頻器改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到調(diào)節(jié)流量目的，電耗大幅度下降，它們流量與轉(zhuǎn)速建成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速立方成正比。2014年初，中原油田在文三注外輸系統(tǒng)安裝了一臺(tái)vf-P7型變頻器，目前運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

表一是利用變頻調(diào)速技術(shù)可自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)泵的工作參數(shù)，經(jīng)過測(cè)試省電效果可達(dá)20%，同時(shí)功率因數(shù)提高到0.95以上，減少了無功損耗。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。不必人工手動(dòng)起停外輸泵，降低勞動(dòng)量。延長(zhǎng)機(jī)械部件的使用壽命。使用變頻器調(diào)后，外輸泵大多數(shù)時(shí)間運(yùn)行在工頻之下，能明顯減少機(jī)械部件的磨損，延長(zhǎng)機(jī)械使用壽命，減少維修費(fèi)用和縮短維修時(shí)間。實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)、恒壓供水、運(yùn)行可靠的結(jié)果。

6、結(jié)束語

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，變頻技術(shù)的日益完善，越來越多的變頻器調(diào)速系統(tǒng)在油田生產(chǎn)企業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。油田高壓注水、供水站是一個(gè)耗能大戶，許多設(shè)備的綜合能耗大大高于先進(jìn)水平的能耗，而變頻器控制機(jī)泵的節(jié)電效果明顯，同時(shí)還增加智能化控制和軟啟動(dòng)性能，進(jìn)一步增強(qiáng)了注、供水的安全性。因此，在注水站推廣應(yīng)用變頻器對(duì)節(jié)能降耗和提高智能化具有重要的意義。