變頻調(diào)速控制節(jié)能技術(shù)的油田應(yīng)用

楊有為（大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠）

采油廠目前油、水泵等設(shè)備都是按當(dāng)時(shí)最大負(fù)荷設(shè)計(jì)并選型的，而在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，大部分時(shí)間輕載運(yùn)行，負(fù)荷并沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為了保證生產(chǎn)平穩(wěn)，依靠其出口閥門控制排量，造成泵管壓差過(guò)大，閥門節(jié)流損失嚴(yán)重。還有一部分靠打回流維持生產(chǎn)，這樣既降低了泵效，又浪費(fèi)了大量的電能，據(jù)測(cè)算一般損失電能在30%～40%。變頻器具有節(jié)能和提高自動(dòng)化程度等一系列的優(yōu)點(diǎn)，采用變頻調(diào)速技術(shù)，可以完全消除上述弊病，不僅節(jié)能降耗、提高系統(tǒng)效率，而且還減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，同時(shí)也使生產(chǎn)管理的自動(dòng)化水平上一個(gè)新臺(tái)階。

1 變頻調(diào)速的機(jī)理及工作原理

1.1 機(jī)理

交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：

式中：

n——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；

f1——定子供電頻率；

p——極對(duì)數(shù)；

S——轉(zhuǎn)差率。

由公式可以看出，當(dāng)S變化不大時(shí)，n正比于f1，改變供電電源頻率，可以調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，如果均勻地改變電動(dòng)機(jī)定子供電頻率 f1，可平滑地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n，在調(diào)速時(shí)，為保持電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，需維持電動(dòng)機(jī)的磁通恒定。因而，在改變供電頻率的同時(shí)，定子供電電壓應(yīng)作相應(yīng)調(diào)整才能保證電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能不受到影響，所以變頻器具有調(diào)頻、調(diào)壓兩種功能[1]。

1.2 工作原理

變頻器雖然生產(chǎn)廠家眾多，但從結(jié)構(gòu)上看，變頻器一般分為交-交變頻器和交-直-交變頻器兩類。油田使用的變頻器大都屬于交-直-交變頻器，交-直-交變頻器就是把頻率固定的交流電源直接變成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源，其主電路結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

交-直-交變頻器的工作過(guò)程是：先將電源的三相（或單相）交流電經(jīng)過(guò)整流橋整流成直流電，經(jīng)過(guò)平滑濾波，又經(jīng)逆變把直流電“逆變”成頻率任意可調(diào)的三相交流電，使電極獲得無(wú)級(jí)調(diào)速時(shí)所需要的電壓、電流和頻率。

以某公司生產(chǎn)的變頻器為例，裝置的控制核心為單片機(jī)控制系統(tǒng)，輸入部分由整流模塊和高壓大容量電容組成，它們將工頻電源轉(zhuǎn)換成直流電，輸出部分由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、大功率晶體管（IGBT）模塊組成，它們將直流電轉(zhuǎn)換成頻率隨意可調(diào)的交流電輸出，達(dá)到電動(dòng)機(jī)調(diào)速的目的。

變頻調(diào)速裝置的閉環(huán)控制原理主要是：被控物理量（壓力、液位、流量等）由測(cè)量該物理量的變送器測(cè)量后送入該物理量的控制器（PID或其它控制器），并與該物理量的給定值（在控制器內(nèi)該值根據(jù)工藝需要確定）進(jìn)行比較、運(yùn)算，由控制器輸出一調(diào)整信號(hào)給變頻器，變頻器帶動(dòng)機(jī)泵在某一適當(dāng)頻率范圍內(nèi)運(yùn)行，使被控物理量的值與所需控制量的值偏差減小，這一過(guò)程周而復(fù)始，使被控物理量的實(shí)際值與所需控制量的值偏差越來(lái)越小，變頻器頻率的波動(dòng)范圍也越來(lái)越小，整個(gè)控制系統(tǒng)趨于動(dòng)態(tài)平衡，從而達(dá)到了變頻器閉環(huán)自動(dòng)控制的目的，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)節(jié)能、平穩(wěn)、高效的生產(chǎn)[2]。

系統(tǒng)主要控制參數(shù)是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝情況逐漸摸索確定的，由于每一個(gè)使用系統(tǒng)的工況不同，控制器的主要參數(shù)的設(shè)定也不同，因此控制器參數(shù)的設(shè)定，需具體問(wèn)題具體分析來(lái)確定。變頻器閉環(huán)控制原理見(jiàn)圖2。

圖2 閉環(huán)控制原理圖

2 用閥門控制流量與變頻器控制流量節(jié)能效果對(duì)比

2.1 用閥門控制流量增大了管道阻力，增加了閥門的節(jié)流損失

由圖3特性曲線所示，假設(shè)速度為N，管道阻力為R1，流量為Q2，壓力將從H1增加到H2，但軸輸出功率的減小幅度很小，軸輸出功率計(jì)算公式：

式中：

H——壓力，MPa；

Q——流量，m3/h；

η——效率。

通過(guò)閥門調(diào)節(jié)來(lái)改變泵的工作點(diǎn)，從表面上看，泵效提高了，但實(shí)際對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，并沒(méi)有節(jié)能，泵效提高所節(jié)約的能量恰好又消耗在閥門的節(jié)流損失上，并沒(méi)有達(dá)到節(jié)能的目的。

圖3 閥門控制特性曲線

2.2 用變頻器控制流量消除了閥門的節(jié)流損失

由特性曲線圖4可以看出，變頻器控制流量，管道阻力恒定，當(dāng)速度為N1，流量為Q1時(shí)，如果電動(dòng)機(jī)從N1改為N2，流量將降為Q2，壓力將從H1增加到H3，所以軸功率的大量減少節(jié)能效果十分明顯。

圖4 變頻器控制特性曲線

2.3 節(jié)能效果對(duì)比

閥門控制和頻率控制特性曲線對(duì)比見(jiàn)圖5。

圖5 二者對(duì)比特性曲線

在閥門控制的情況下，是依靠把管道阻力從R1變?yōu)镽2來(lái)控制的，此時(shí)壓力將從H1增加到H2，軸功率變化很小，幾乎是常數(shù)，所要求的軸功率僅從面積（0，Q1，A1，H1）變?yōu)椋?，Q2，A2，H2）而在變頻器控制的情況下，在管阻恒定的情況下，電動(dòng)機(jī)速度從N1改為N2，所得到流量Q2，在這種情況下，所要求的軸功率相當(dāng)于面積（0，Q2，A3，H3）所以變頻器控制多節(jié)省面積為（H3，A3，A2，H2）的能量。

在閥門控制流量時(shí)，功率隨著流量變化幅度極小，在變頻器控制流量時(shí)，由流體力學(xué)可知轉(zhuǎn)速(N)，流量(Q)，揚(yáng)程(H)，軸功率(P)的關(guān)系：

可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降1/2時(shí)，則流量下降1/2，揚(yáng)程下降3/4，軸功率下降7/8，隨泵的轉(zhuǎn)速下降，軸功率成三次方關(guān)系下降，所以節(jié)能效果比較顯著。

變頻器控制流量，除節(jié)約電能外，還可減少設(shè)備的機(jī)械磨損；對(duì)電動(dòng)機(jī)有過(guò)流，過(guò)載等保護(hù)作用；起動(dòng)平穩(wěn)，可延長(zhǎng)機(jī)泵使用壽命；減小噪音，改善工作環(huán)境；降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

以某中轉(zhuǎn)站的輸油泵上安裝了一套變頻調(diào)速器閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)為例分析，該閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)由一臺(tái)ESK851液位變送器、一臺(tái)東芝37kW變頻調(diào)速器、一臺(tái)37kW電動(dòng)機(jī)和泵組成。

該系統(tǒng)運(yùn)行期間，泵出口閥全部處于打開狀態(tài)，值班人員沒(méi)有再對(duì)機(jī)泵進(jìn)行人工操作，三合一罐液位在給定液位附近上下波動(dòng)僅3cm，頻率范圍波動(dòng)僅2Hz，使整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程在全自動(dòng)狀態(tài)下平穩(wěn)運(yùn)行。安裝變頻閉環(huán)控制系統(tǒng)前、后機(jī)泵參數(shù)對(duì)照（采用安裝變頻器前10日、后10日數(shù)據(jù)平均值）見(jiàn)表1。

表1 安裝變頻前、后輸油泵生產(chǎn)參數(shù)

從數(shù)據(jù)對(duì)比可知，節(jié)電在32%左右，安裝變頻調(diào)速控制系統(tǒng)前，該站的生產(chǎn)工藝明顯處于節(jié)流狀態(tài)，輸液?jiǎn)魏倪_(dá)0.43kWh/m3；安裝變頻調(diào)速控制系統(tǒng)后，節(jié)流狀態(tài)基本消除了，輸液?jiǎn)魏囊步档?.21kWh/m3?？梢?jiàn)采用變頻閉環(huán)控制技術(shù)，對(duì)改變?cè)O(shè)備運(yùn)行工況、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)、對(duì)節(jié)能降耗是非常理想的。

4 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

1）變頻器的軟啟動(dòng)和無(wú)級(jí)調(diào)速，消除了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)電器裝置的壽命，同時(shí)可使自然功率因數(shù)達(dá)到0.95以上。

2）操作簡(jiǎn)單，能量轉(zhuǎn)化效率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，完善的保護(hù)與故障自診斷等電腦智能化，易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，有著同類節(jié)能產(chǎn)品無(wú)可比擬的優(yōu)越性。

3）在較大的生產(chǎn)系統(tǒng)中，采用變頻調(diào)速閉環(huán)控制技術(shù)控制油水泵運(yùn)行，是最經(jīng)濟(jì)合理的生產(chǎn)方式，是提高系統(tǒng)效率的最佳途徑。不僅是節(jié)能降耗的需要，同時(shí)也是利于科學(xué)管理，促進(jìn)穩(wěn)定生產(chǎn)、安全生產(chǎn)。

4）當(dāng)負(fù)荷率長(zhǎng)期高于95%時(shí)，變頻調(diào)速的節(jié)電效果已經(jīng)很低，甚至多耗電，應(yīng)該退出運(yùn)行。滿負(fù)荷的工作還會(huì)加速部分電器元件的老化，縮短使用壽命。

5）一套變頻調(diào)速裝置，裝于兩個(gè)不同的生產(chǎn)系統(tǒng)中，會(huì)有不同的節(jié)電效果。裝置的手動(dòng)和自動(dòng)控制，節(jié)電率要相差10%左右。所以在推廣時(shí)要認(rèn)真調(diào)查研究，搞好效果預(yù)測(cè)工作，在運(yùn)行時(shí)要把生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整至最佳狀態(tài)，才能獲得最高的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]張智賢,沈永良.自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制[M].北京:中國(guó)電力出版社,2009.

[2]陶權(quán),王鳳桐.自動(dòng)化綜合應(yīng)用工程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.