螺桿泵變頻運(yùn)行模式探究

楊云鵬,楊恒遠(yuǎn),程旭明,頓昊龍

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田蘇里格南作業(yè)分公司（陜西 西安710018）

交流變頻調(diào)速由于其優(yōu)越的調(diào)速控制性能和節(jié)能效果，以及日益成熟的技術(shù)，得到廣泛的應(yīng)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(shè)備，保障其運(yùn)行的穩(wěn)定性尤為重要。螺桿泵在工頻運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速瞬間提高，其扭矩往往是穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)扭矩的很多倍。由于生產(chǎn)工況的差異，在采出水黏度過高的情況下，啟動(dòng)扭矩將會(huì)變得更大[1-3]。工頻啟動(dòng)，轉(zhuǎn)子承受的扭矩大于其額定扭矩，容易使轉(zhuǎn)子斷裂；閃蒸罐進(jìn)液量的不固定性，使螺桿泵在工頻運(yùn)行下會(huì)快速地將采出水輸送完，設(shè)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(dòng)方式及運(yùn)行轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)采出水輸送排量，使設(shè)備在適合實(shí)際工況的狀態(tài)下運(yùn)行，保證了螺桿泵長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性，極大地改善了螺桿泵的使用壽命，實(shí)現(xiàn)了較大的節(jié)能作用。

1 螺桿泵的工作原理與特點(diǎn)

1.1 螺桿泵的工作原理

螺桿泵是按照回轉(zhuǎn)嚙合容積式原理進(jìn)行工作的轉(zhuǎn)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(chǎn)生容積的變化以輸送液體（圖1）。轉(zhuǎn)子是一個(gè)單頭螺桿，定子是一個(gè)有雙倍轉(zhuǎn)子螺距的雙頭螺套；定轉(zhuǎn)子之間過盈配合（壓縮）形成了空腔的密封空間，當(dāng)轉(zhuǎn)子在定子中旋轉(zhuǎn)時(shí)，被輸送的介質(zhì)從空腔的進(jìn)口不斷地被移動(dòng)到出口，繼而產(chǎn)生連續(xù)的輸送。定子的橫截面會(huì)產(chǎn)生一條作用于密封的線。這條線把定子的內(nèi)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?cè)谳斔徒橘|(zhì)時(shí)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(huì)中斷，必須隨時(shí)有一條“密封的線”，從而使得壓力面在打開時(shí)，吸入面必須已經(jīng)開始了一個(gè)新的循環(huán)。

螺桿泵輸送高黏度的流體、含有硬質(zhì)懸浮顆粒的介質(zhì)或含有纖維的介質(zhì)，相比一般泵種效率較高。其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，維修簡(jiǎn)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(diǎn)

螺桿泵（圖2）相比其他泵種有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):

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

2）相比柱塞泵，螺桿泵具有自吸功能，吸力高度可達(dá)到8.5 m。

3）相比隔膜泵，螺桿泵可輸送各種混合雜質(zhì)，如含氣體、固體顆?；蚶w維的介質(zhì)，也可輸送腐蝕性的介質(zhì)。

4）相比齒輪泵，螺桿泵可輸送高黏度的介質(zhì)。

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(jì)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(tài)無(wú)功補(bǔ)償功能。在電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，如果出現(xiàn)停電或瞬間低電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)會(huì)因欠壓發(fā)生跳閘，無(wú)法繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，可以維持平滑的電網(wǎng)電壓特性，避免了產(chǎn)生無(wú)功功率罰款，進(jìn)—步延長(zhǎng)了電動(dòng)機(jī)的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)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(dòng)機(jī)產(chǎn)生的再生能量，從而使運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間持續(xù)得更長(zhǎng)[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(hào)作為反饋信號(hào)輸入變頻器內(nèi)，通過調(diào)節(jié)，使負(fù)載端的動(dòng)作能跟進(jìn)指令值。當(dāng)負(fù)載端的負(fù)載發(fā)生變化導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速下降而影響其正常運(yùn)作時(shí)，利用速度傳感器獲取的模擬反饋信號(hào)，通過閉環(huán)進(jìn)行PID 控制，這樣即便負(fù)載發(fā)生變化也能夠隨時(shí)讀取指令值，保證電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。

3）無(wú)沖擊啟動(dòng)功能。當(dāng)被控電機(jī)在停機(jī)狀態(tài)下突然啟動(dòng)，可能會(huì)因?yàn)槌霈F(xiàn)過大的電流而引起跳閘。變頻啟動(dòng)是軟啟動(dòng)功能，它能通過改變電動(dòng)機(jī)的頻率使其啟動(dòng)轉(zhuǎn)速改變，降低了啟動(dòng)過程的瞬間電壓，從而達(dá)到被控制電機(jī)的無(wú)沖擊啟動(dòng)。螺桿泵作為重要?jiǎng)討B(tài)設(shè)備，軟啟動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)，減輕了轉(zhuǎn)子的應(yīng)力損傷，降低其發(fā)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(jī)供電的頻率和幅值，從而改變其運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的周期，以達(dá)到平滑控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。由于電動(dòng)機(jī)在靜態(tài)下的啟動(dòng)是一個(gè)快速的過程，啟動(dòng)瞬間對(duì)機(jī)械的負(fù)載形成較大的沖擊，大大地縮短機(jī)械傳動(dòng)部分的使用壽命。變頻器把工頻電源（50 Hz 或60 Hz）轉(zhuǎn)變成各種不同頻率的交流電源，其中控制電路完成對(duì)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(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再變成交流電。變頻器使復(fù)雜的調(diào)速控制簡(jiǎn)單化，用變頻器＋變頻異步電動(dòng)機(jī)組合即可代替大部分只能用直流電機(jī)完成的工作，并且提高設(shè)備運(yùn)行壽命，降低了維修率。在螺桿泵的運(yùn)用中，使用變頻器后，可自由調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，螺桿泵運(yùn)轉(zhuǎn)的速度下降，平均轉(zhuǎn)矩減小，極大程度地減小了轉(zhuǎn)子的磨損，使螺桿泵的工作壽命延長(zhǎng)。由于采用變頻調(diào)節(jié)對(duì)螺桿泵進(jìn)行軟啟軟停，減少了啟動(dòng)過程中的沖擊，延長(zhǎng)了螺桿泵的保養(yǎng)維護(hù)周期。變頻后泵在較低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，定轉(zhuǎn)子的磨損程度相應(yīng)減少。變頻器不僅大大延長(zhǎng)了萬(wàn)向節(jié)、機(jī)械密封、定轉(zhuǎn)子等易損件的壽命，還降低了運(yùn)行時(shí)的噪音。

3 螺桿泵變頻調(diào)速的應(yīng)用

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

2）變頻調(diào)速，可對(duì)外輸流量進(jìn)行控制，減少了頻繁啟停泵的次數(shù)，且降低了泵的轉(zhuǎn)速。在液量可控的條件下，可同時(shí)協(xié)調(diào)好3 座集氣站的排液工況（表2）。其中C1 站2#井泵運(yùn)轉(zhuǎn)24 h,累計(jì)液量50.01 m3，C3站1#井泵運(yùn)轉(zhuǎn) 7.18 h,累計(jì)液量43.89 m3。

3）以C1站為例，已在站控系統(tǒng)上添加了連鎖液位的調(diào)頻變化，設(shè)置液位為600 mm，低于600 mm 螺桿泵頻率調(diào)至35 Hz，高于600 mm 螺桿泵頻率調(diào)至50 Hz；C1 站雙泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率在50 Hz 時(shí)排量8.0～9.5 m3/h，頻率在 35 Hz 時(shí)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(duì)螺桿泵排液的操控，在集氣站液量平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，可由變頻器自動(dòng)根據(jù)液位波動(dòng)變化進(jìn)行調(diào)節(jié)排液。

表1 C1站螺桿泵運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)表

表2 C1站/C3站螺桿泵排液數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表3 C1站/C3站螺桿泵頻率及排量變化統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)束語(yǔ)

變頻器因其自身的優(yōu)勢(shì)，在螺桿泵運(yùn)行過程中得到了有效應(yīng)用。螺桿泵是變頻器應(yīng)用體現(xiàn)的重要形式。根據(jù)變頻器在螺桿泵中的使用情況進(jìn)行分析，通過對(duì)螺桿泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了對(duì)螺桿泵轉(zhuǎn)速的良好控制，使螺桿泵的轉(zhuǎn)速能根據(jù)集氣站采出水量以及泵的工況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而有效地提升了螺桿泵運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。