螺桿泵變頻運行模式探究

楊云鵬,楊恒遠,程旭明,頓昊龍

中國石油長慶油田蘇里格南作業分公司（陜西 西安710018）

交流變頻調速由于其優越的調速控制性能和節能效果，以及日益成熟的技術，得到廣泛的應用。在蘇南集氣站，螺桿泵作為承載全密閉管道輸送采出水的高效設備，保障其運行的穩定性尤為重要。螺桿泵在工頻運行啟動時，轉速瞬間提高，其扭矩往往是穩定運行時扭矩的很多倍。由于生產工況的差異，在采出水黏度過高的情況下，啟動扭矩將會變得更大[1-3]。工頻啟動，轉子承受的扭矩大于其額定扭矩，容易使轉子斷裂；閃蒸罐進液量的不固定性，使螺桿泵在工頻運行下會快速地將采出水輸送完，設備磨損程度大大增加。因此，變頻器的加入，改變了螺桿泵的啟動方式及運行轉速，調節采出水輸送排量，使設備在適合實際工況的狀態下運行，保證了螺桿泵長期使用的穩定性，極大地改善了螺桿泵的使用壽命，實現了較大的節能作用。

1 螺桿泵的工作原理與特點

1.1 螺桿泵的工作原理

螺桿泵是按照回轉嚙合容積式原理進行工作的轉子式容積泵。它是通過螺桿與襯套之間相互嚙合從而在吸入腔和排出腔產生容積的變化以輸送液體（圖1）。轉子是一個單頭螺桿，定子是一個有雙倍轉子螺距的雙頭螺套；定轉子之間過盈配合（壓縮）形成了空腔的密封空間，當轉子在定子中旋轉時，被輸送的介質從空腔的進口不斷地被移動到出口，繼而產生連續的輸送。定子的橫截面會產生一條作用于密封的線。這條線把定子的內部空間均分成兩部分，由于這兩部分只有形狀和位置的變化而沒有容積的變化，因此它們在輸送介質時流量相同。此外，這條線還把吸入和壓力面分開，為了保證這種分離不會中斷，必須隨時有一條“密封的線”，從而使得壓力面在打開時，吸入面必須已經開始了一個新的循環。

螺桿泵輸送高黏度的流體、含有硬質懸浮顆粒的介質或含有纖維的介質，相比一般泵種效率較高。其設計結構緊湊，體積小，維修簡單，便于拆裝。

圖1 螺桿泵工作原理示意圖

1.2 螺桿泵的特點

螺桿泵（圖2）相比其他泵種有以下幾個優點:

1）相比離心泵，螺桿泵無需安裝進口及壓力端的閥門，流量是穩定的線性流動[4]。

2）相比柱塞泵，螺桿泵具有自吸功能，吸力高度可達到8.5 m。

3）相比隔膜泵，螺桿泵可輸送各種混合雜質，如含氣體、固體顆粒或纖維的介質，也可輸送腐蝕性的介質。

4）相比齒輪泵，螺桿泵可輸送高黏度的介質。

5）相比柱塞泵、隔膜泵及齒輪泵，螺桿泵可以用作藥劑的填充和計量。

圖2 單螺桿泵

2 變頻器的功能與作用

2.1 變頻器的功能

1）靜態無功補償功能。在電動機變頻運轉過程中，如果出現停電或瞬間低電壓時，電動機會因欠壓發生跳閘，無法繼續運轉。靜態無功補償，可以維持平滑的電網電壓特性，避免了產生無功功率罰款，進—步延長了電動機的持續運轉時間。靜態無功補償功能，就是在輸入電壓下降，跳閘之前減少了變頻器的輸出頻率，由變頻器吸收掉電動機產生的再生能量，從而使運轉時間持續得更長[5]。

2）PID 控制功能。PID 控制器由比例單元（P）、積分單元（I）、微分單元（D）所組成。它將模擬信號作為反饋信號輸入變頻器內，通過調節，使負載端的動作能跟進指令值。當負載端的負載發生變化導致電機轉速下降而影響其正常運作時，利用速度傳感器獲取的模擬反饋信號，通過閉環進行PID 控制，這樣即便負載發生變化也能夠隨時讀取指令值，保證電機運轉的穩定性。

3）無沖擊啟動功能。當被控電機在停機狀態下突然啟動，可能會因為出現過大的電流而引起跳閘。變頻啟動是軟啟動功能，它能通過改變電動機的頻率使其啟動轉速改變，降低了啟動過程的瞬間電壓，從而達到被控制電機的無沖擊啟動。螺桿泵作為重要動態設備，軟啟動功能的實現，減輕了轉子的應力損傷，降低其發生斷裂的概率。

2.2 變頻器的作用

變頻器是通過改變交流電機供電的頻率和幅值，從而改變其運動磁場的周期，以達到平滑控制電動機轉速的目的。由于電動機在靜態下的啟動是一個快速的過程，啟動瞬間對機械的負載形成較大的沖擊，大大地縮短機械傳動部分的使用壽命。變頻器把工頻電源（50 Hz 或60 Hz）轉變成各種不同頻率的交流電源，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再變成交流電。變頻器使復雜的調速控制簡單化，用變頻器＋變頻異步電動機組合即可代替大部分只能用直流電機完成的工作，并且提高設備運行壽命，降低了維修率。在螺桿泵的運用中，使用變頻器后，可自由調節電動機的轉速，螺桿泵運轉的速度下降，平均轉矩減小，極大程度地減小了轉子的磨損，使螺桿泵的工作壽命延長。由于采用變頻調節對螺桿泵進行軟啟軟停，減少了啟動過程中的沖擊，延長了螺桿泵的保養維護周期。變頻后泵在較低轉速下運行，定轉子的磨損程度相應減少。變頻器不僅大大延長了萬向節、機械密封、定轉子等易損件的壽命，還降低了運行時的噪音。

3 螺桿泵變頻調速的應用

1）以 C1 站為例，1#螺桿泵在運行到 8 479 h 發生了轉子斷裂，2#泵在運行到7 547 h發生了轉子斷裂，運行狀況都是螺桿泵在工頻啟動狀態下運行。由于工頻啟停運轉，定轉子都承受了高扭矩力的沖擊，加之長時間的工頻運轉，轉子在高速運轉過程中受到的磨損增大導致斷裂。在變頻器加入后，使用軟啟停功能，通過變頻調速，螺桿泵延長了轉子的使用時間。1#泵在運行至22 466 h因轉子磨損泵效下降再次更換定轉子，此時距第一次更換后已運行13 987 h，變頻調速運行后，定轉子的使用時間較之前提高了65%（表1）。

2）變頻調速，可對外輸流量進行控制，減少了頻繁啟停泵的次數，且降低了泵的轉速。在液量可控的條件下，可同時協調好3 座集氣站的排液工況（表2）。其中C1 站2#井泵運轉24 h,累計液量50.01 m3，C3站1#井泵運轉 7.18 h,累計液量43.89 m3。

3）以C1站為例，已在站控系統上添加了連鎖液位的調頻變化，設置液位為600 mm，低于600 mm 螺桿泵頻率調至35 Hz，高于600 mm 螺桿泵頻率調至50 Hz；C1 站雙泵同時運轉頻率在50 Hz 時排量8.0～9.5 m3/h，頻率在 35 Hz 時排量 5.0～6.0 m3/h（表 3）。閃蒸罐液位與螺桿泵變頻器連鎖工作，減輕了人工對螺桿泵排液的操控，在集氣站液量平穩運行時，可由變頻器自動根據液位波動變化進行調節排液。

表1 C1站螺桿泵運轉數據表

表2 C1站/C3站螺桿泵排液數據統計表

表3 C1站/C3站螺桿泵頻率及排量變化統計表

4 結束語

變頻器因其自身的優勢，在螺桿泵運行過程中得到了有效應用。螺桿泵是變頻器應用體現的重要形式。根據變頻器在螺桿泵中的使用情況進行分析，通過對螺桿泵轉子轉速的變頻調速，實現了對螺桿泵轉速的良好控制，使螺桿泵的轉速能根據集氣站采出水量以及泵的工況進行實時調節，從而有效地提升了螺桿泵運行的穩定性與安全性。