廉桂華 王萬(wàn)麗 (大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠)

變頻調(diào)速裝置在污水站反沖洗泵上的應(yīng)用與效果分析

廉桂華 王萬(wàn)麗 (大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠)

在油田生產(chǎn)中，油水泵部分時(shí)間在變工況狀態(tài)下運(yùn)行，普遍采用出口節(jié)流（回流）控制方式。加之設(shè)計(jì)選型時(shí)設(shè)備容量偏大，使得油水泵的排量和壓力往往大于實(shí)際生產(chǎn)需要，造成很大的能源浪費(fèi)。這種控制方式具有諸多的不利因素： ①反沖洗泵運(yùn)行工況較差，泵效低，能耗高；②調(diào)節(jié)閥節(jié)流造成流體阻力增大，產(chǎn)生能量損失，機(jī)泵憋壓，且閥心機(jī)械磨損嚴(yán)重；③調(diào)節(jié)閥節(jié)流及機(jī)泵引起的噪音大，不利于環(huán)保，操作環(huán)境差；④反沖洗流量變化時(shí)產(chǎn)生“水擊”現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)這種現(xiàn)象對(duì)濾罐濾料損害非常嚴(yán)重。為改變這種生產(chǎn)狀況，給反沖洗泵加裝了變頻調(diào)速裝置，從根本上消除了采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制的不利因素，實(shí)現(xiàn)了安全平穩(wěn)運(yùn)行，而且節(jié)能效益顯著。

反沖洗泵 變頻調(diào)整裝置 技術(shù)措施 節(jié)能效果

1 反沖洗操作控制方法

在未加裝變頻裝置以前，反沖洗操作是用微機(jī)自動(dòng)控制反沖洗閥、回流閥來(lái)調(diào)節(jié)反沖洗水量、強(qiáng)度及壓力來(lái)完成的，具體是通過(guò)設(shè)定閥門開度及PID運(yùn)算來(lái)控制閥門開度。

具體的控制過(guò)程是：每個(gè)反沖洗周期為17 min，1～5 min反沖洗閥門開度從25%以每分鐘5%的梯度遞增。5～12 min之間反沖洗最大排量為280 m3/h，在此期間閥門開度不固定，通過(guò)PID控制來(lái)調(diào)節(jié)閥門開度。12～17 min閥門開度從45%以每分鐘5%的梯度遞減（圖1）。

與此同時(shí)，回流閥的閥門開度也做相應(yīng)的變化。1～5 min反沖洗閥門開度從60%以每分鐘5%的梯度遞減，5～12 min之間回流閥關(guān)閉，12～17 min閥門開度以每分鐘5%的梯度遞增。其回流閥開度隨時(shí)間變化

正好與出口閥開度隨時(shí)間變化曲線相反。

圖1 反沖洗出口閥開度隨時(shí)間變化曲線

可見，反沖洗操作控制過(guò)程復(fù)雜，用閥控制流量在控制上存在滯后與誤差，控制效果差。從過(guò)濾罐進(jìn)行反沖洗的操作可以看出，反沖洗泵運(yùn)行時(shí)，一直處在變工況下，也就是排量由小到大，再由大到小，每洗一個(gè)過(guò)濾罐就要重復(fù)一次。而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是固定的，即額定排量恒定，因此，只能靠調(diào)節(jié)閥進(jìn)行回流調(diào)。這樣在小排量時(shí)勢(shì)必使機(jī)泵出現(xiàn)大馬拉小車的現(xiàn)象，浪費(fèi)了大量電能。針對(duì)這種情況進(jìn)行了分析，以使機(jī)泵始終在最佳工作點(diǎn)運(yùn)行。所謂最佳工作點(diǎn)，就是泵給出的能量等于系統(tǒng)所消耗的能量。由圖2可以看出，管路特性曲線與泵特性曲線的交點(diǎn)就是離心泵的工作點(diǎn)。離心泵在該點(diǎn)運(yùn)行，泵效最高。

圖2 離心泵工作點(diǎn)曲線

要想達(dá)到此種效果，常用的方法一般有兩種：一是改變管路的特性曲線；二是改變泵的特性曲線。改變管路特性曲線的方法有入口節(jié)流、旁路回流等（這種方法仍存在著一定能量損失）。改變泵特性曲線的方法有更換缸套、柱塞、增減缸數(shù)和改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。而更換缸套、柱塞、增減缸數(shù)較適合于工況相對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng)，而對(duì)于系統(tǒng)波動(dòng)大的極不穩(wěn)定工況，最佳方法是改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。從前面的反沖洗操作可以看出，反沖洗泵就屬于第二種情況，因此安裝了SFBP型變頻調(diào)速裝置。

2 變頻調(diào)速技術(shù)原理

變頻器是通過(guò)三相交流電的頻率變化來(lái)改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，即

式中：n——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

f——電源頻率，Hz；

p——定子繞組極對(duì)數(shù)。

由上式可知，頻率 f與轉(zhuǎn)速n之間為正比關(guān)系，因此通過(guò)變頻器對(duì)電源頻率的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的調(diào)節(jié)。

根據(jù)離心泵的比例定律，在n與n′下的流量Q與Q′、揚(yáng)程H和H′、功率N和N′分別與轉(zhuǎn)速有下列關(guān)系：

由上述關(guān)系式得出，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)交流電的頻率就能調(diào)節(jié)離心泵流量、揚(yáng)程和功率，使之符合工藝要求。比例定律表明，離心泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比；揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比；軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。由此可見，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速稍有下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)功率就會(huì)大幅度降低，耗電量也就大為減少。

當(dāng)采用變頻調(diào)速方法時(shí)，轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2，流量由Q1變?yōu)镼2，其揚(yáng)程曲線則由“1”變?yōu)椤?”（圖3），離心泵工作點(diǎn)從A到B，軸功率為：NB=Q2HB/η。

圖3 離心泵的H-Q曲線

當(dāng)采用調(diào)節(jié)閥控制流量方法時(shí)，轉(zhuǎn)速不變，揚(yáng)程曲線仍為“1”，流量Q1降為Q2，則離心泵工作點(diǎn)從A到C，軸功率為：Hc=Q2Hc/η。

圖3中“BCHcHB”組成的面積即為變頻調(diào)速方法與調(diào)節(jié)閥控制流量方法相比節(jié)約的能量：ΔN=Nc-NB。

從圖3可以看出，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，可以達(dá)到“依據(jù)不同的運(yùn)行工況通過(guò)變頻調(diào)速使反沖洗泵滿足運(yùn)行工況”的要求，這時(shí)將泵出口閥全開，避免了泵出口閥的節(jié)流損失。

3 變頻調(diào)速技術(shù)措施

變頻調(diào)速裝置應(yīng)用在污水反沖洗操作中，固然可產(chǎn)生較好的節(jié)能效益，但由于污水系統(tǒng)屬于油田生產(chǎn)中的一個(gè)重要樞紐環(huán)節(jié)，除對(duì)設(shè)備本身要求有較高的可靠性之外，在技術(shù)上必須與現(xiàn)場(chǎng)的工藝特點(diǎn)相結(jié)合，充分考慮現(xiàn)場(chǎng)操作，諸如啟動(dòng)、停機(jī),以及調(diào)節(jié)等方面的安全性、適用性和方便性。

（1）系統(tǒng)設(shè)置了工頻、變頻手動(dòng)切換功能。一旦變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可以手動(dòng)切換到工頻檔，將變頻系統(tǒng)甩開，在變頻系統(tǒng)維修期間可保障反沖洗泵的正常運(yùn)行，滿足生產(chǎn)的需要。

（2）系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的調(diào)節(jié)采用開環(huán)手動(dòng)調(diào)節(jié)方式。因?yàn)槭苷麄€(gè)污水系統(tǒng)管網(wǎng)波動(dòng)的影響，如采用閉環(huán)控制，很容易由于各種原因造成系統(tǒng)的自動(dòng)保護(hù)而停機(jī)，甚至引起污水系統(tǒng)的擾動(dòng)。而采用開環(huán)控制，在不同工況下，人為的設(shè)定和調(diào)整變頻系統(tǒng)的參數(shù)，既可減少部分初期投資，又可保證污水系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

（3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置啟動(dòng)、停止以及緊急停機(jī)按鈕，極大地方便了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的操作，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（4）在變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置適合與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的報(bào)警功能，并對(duì)運(yùn)行的參數(shù)、操作情況和故障等具有詳細(xì)的顯示功能。

4 變頻調(diào)速效果分析

4.1 節(jié)電效果分析

從安裝變頻裝置前后的生產(chǎn)綜合數(shù)據(jù)來(lái)看，節(jié)能效果是顯著的，見表1。

從表1可以看出，在相同的流量下，使用前后的泵效、單耗都有明顯的不同，泵效提高平均為15個(gè)百分點(diǎn)，耗電量有所下降。其節(jié)電量：反沖洗泵每天平均運(yùn)行2 h，平均每小時(shí)節(jié)電量為15 kW·h；則一年的節(jié)電量為：15×2×365=10 950 kW·h，合計(jì)人民幣約為8.8×103元。

表1 安裝變頻裝置前后數(shù)據(jù)對(duì)比表

4.2 減少維修費(fèi)用

變頻后泵軸、軸承的磨損程度減小，以軸承為例，變頻前反沖洗泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸承溫度達(dá)80～85℃，而變頻后軸承溫度僅為70～75℃，這將大大延長(zhǎng)反沖洗泵的軸承、機(jī)械密封等易損部件的壽命。機(jī)泵正常運(yùn)行，不再產(chǎn)生憋壓現(xiàn)象，且減少閥心機(jī)械磨損，延長(zhǎng)其使用壽命。

4.3 污水處理指標(biāo)合格

由于運(yùn)用變頻技術(shù)進(jìn)行反沖洗，反沖洗強(qiáng)度達(dá)到了理想要求，從而使濾罐在較好的狀態(tài)下運(yùn)行；同時(shí)對(duì)濾罐沒有造成損害，使反沖洗達(dá)到了比較好的效果。安裝后，增加了濾后水質(zhì)化驗(yàn)次數(shù)，觀察其對(duì)水質(zhì)的影響。從2003年與2007年的對(duì)比（表2）可以看出，水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)有所好轉(zhuǎn)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.4 噪音小

由于變頻器是以高載波來(lái)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的，故可控制電動(dòng)機(jī)的噪音，使機(jī)泵靜音化運(yùn)轉(zhuǎn)，改善了操作環(huán)境。

表2 安裝變頻裝置前后水質(zhì)指標(biāo)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的有效途徑，它將閥門節(jié)流工況調(diào)節(jié)方式改為調(diào)節(jié)離心泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)工況的方式，具有調(diào)節(jié)方便的特點(diǎn)，泵出口閥全開，有效地避免了截流損失，具有較好的節(jié)能效果。但由于高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)目前正處于技術(shù)發(fā)展階段，且初期投資高，因此必須選用可靠性高、性能好、價(jià)格適中的高壓變頻裝置。應(yīng)用過(guò)程中必須與現(xiàn)場(chǎng)工藝狀況緊密結(jié)合，選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)速控制方式，在保證系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行的情況下，收到最佳的節(jié)能效果，并取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]俞伯炎,吳照云,孫德剛.石油工業(yè)節(jié)能技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2000年.

[2]李學(xué)敏.輸油系統(tǒng)節(jié)能降耗途徑探討[J].油田節(jié)能，2006,17(1).

[3]李方園.淺談變頻器發(fā)展和應(yīng)用的幾個(gè)趨勢(shì)[J].變頻器世界[J],2004(9).

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.01.005

2010-12-10）

廉桂華，畢業(yè)于大慶石油學(xué)院，助理工程師，現(xiàn)在大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠三礦從事節(jié)能管理工作，E-mail：lianguihua@petrochina.com.cn。