李東波 王妮 鞏建衛(wèi) 李家新

摘 要：本文介紹了在變頻器在油氣集輸過程中的節(jié)能作用，從變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的主要作用，到變頻調(diào)速的節(jié)能技術(shù)原理、變頻器在油氣集輸控制中的應(yīng)用和特點(diǎn)進(jìn)行說明，隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用，其在石油石化行業(yè)中也將有著很好的推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：變頻器;節(jié)能;保護(hù);安全

0 前言

油氣集輸系統(tǒng)使用頻率最高的設(shè)備是離心泵，離心泵啟動柜主要是以自藕減壓啟動柜和變頻器控制柜為主。自藕減壓啟動方式防護(hù)性能差，耗能高、沖擊大等缺點(diǎn)。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷需求和新技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，變頻技術(shù)日趨成熟，變頻調(diào)速已逐漸取代過去的滑差調(diào)速、變極調(diào)速、定子調(diào)速、串極調(diào)速等調(diào)速方式，變頻調(diào)速是通過改變電動機(jī)的供電頻率，來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變負(fù)載的轉(zhuǎn)速、壓力、流量。在油氣集輸系統(tǒng)生產(chǎn)中變頻器充分顯現(xiàn)出節(jié)能方面的優(yōu)越性，應(yīng)用日益廣泛。

1 變頻器控制柜和自藕減壓啟動柜對比

我廠T四污水站日外輸污水總量為28 000立方左右，每小時需外輸1 167立方。使用自藕減壓啟動柜的100 kW污水泵每小時流量為750立方，實(shí)際生產(chǎn)中單臺污水泵的排量達(dá)不到要求，所以運(yùn)行需要啟運(yùn)兩臺污水泵工作，工頻運(yùn)行每次開啟都滿負(fù)載750立方米/小時輸出運(yùn)行，一臺滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，另一臺泵需要額定排量的二分之一流量，使用出口閘門控制，形成“大馬拉小車”的狀態(tài)，由于污水泵的輸出排量和壓力過大，造成泵和管道產(chǎn)生壓差，形成渦壓，管道壓差增大時導(dǎo)致電機(jī)負(fù)荷增大，電流上升，造成極大的電能浪費(fèi)，同時又產(chǎn)生安全操作性、噪聲、沖擊管線造成穿孔、環(huán)境污染等問題。

另外，由于設(shè)備起動時的急扭和突然停機(jī)時的水錘現(xiàn)象易造成管道震動或穿孔刺漏，嚴(yán)重的可造成電機(jī)的線路燒壞，危及設(shè)備和操作人員的安全。這一系列的不利因素都與油田提倡的綠色、低碳、節(jié)能、減排相矛盾。

利用變頻調(diào)速運(yùn)行泵機(jī)組，其優(yōu)越性是顯而易見，變頻調(diào)速是利用電力半導(dǎo)體器件將工頻電源變換成另一頻率的電能，使電機(jī)獲得無極調(diào)速所需的電壓、電流和頻率，以得到流量和壓力可調(diào)，根據(jù)實(shí)際需求的流量和壓力來自動控制輸油（水）泵系統(tǒng)。而且變頻器的平穩(wěn)啟動性能大大減小泵機(jī)組啟動時對機(jī)件的機(jī)械沖擊和對電機(jī)的大電流沖擊，也具有良好的節(jié)能作用，其節(jié)電率相比自藕減壓啟動柜一般在15%～30%左右。

2 油田集輸泵站用電設(shè)備采用的變頻調(diào)速運(yùn)行節(jié)能技術(shù)原理

2.1 集輸站泵設(shè)備特性分析

根據(jù)離心泵特性曲線的有關(guān)公式：

P=K1Qh （1）

Q=K2n （2）

H=K3n2 （3）

由（1）、（2）、（3）式得：

P=K4n3 （4）

P/Q=K5n2 （5）

式中：K1，K2，K3，K4，K5為常數(shù);P為泵機(jī)軸功率;Q為泵機(jī)流量;H為泵機(jī)揚(yáng)程;n為泵機(jī)轉(zhuǎn)速。

（1）式中說明在相同的軸功率下，若通過出口閥門調(diào)節(jié)泵機(jī)流量，將引起泵機(jī)揚(yáng)程的相應(yīng)改變，流量越小，揚(yáng)程變得越大，但實(shí)際輸油（污水）時，由于揚(yáng)程是基本不變的，由此就產(chǎn)生了更多的富余揚(yáng)程。

（4）式說明泵機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，若設(shè)法降低轉(zhuǎn)速，就可以減小泵機(jī)軸功率，再由（1）可知，就可實(shí)現(xiàn)流量或揚(yáng)程的自由調(diào)節(jié)。

（5）式說明單位時間內(nèi)，排放每立方米水能耗（即功耗）與轉(zhuǎn)速立方成正比，這說明在達(dá)到實(shí)際供油（水）流量前提下，轉(zhuǎn)速越小，功耗越小。

2.2 泵站電機(jī)特性分析

根據(jù)交流電動機(jī)的工作原理：

n=60f＼p（1-s） （6）

式中：f為電機(jī)的電源頻率;p為電機(jī)的磁極對數(shù);S為轉(zhuǎn)差率。

由于電機(jī)的S和P為常數(shù)，所以（6）式可知電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率有固定的正比例關(guān)系。

3 變頻調(diào)速節(jié)能作用

由上述電機(jī)特性分析可知，均勻改變電機(jī)供電頻率f，就可以平滑地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變機(jī)泵的轉(zhuǎn)速;結(jié)合機(jī)泵特性分析，降低電動機(jī)轉(zhuǎn)速，電動機(jī)輸入功率隨之減少，機(jī)泵軸功率就相應(yīng)減少。當(dāng)改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速可改變介質(zhì)的流量，保證油壓（水壓）恒定，在降低流量的同時，可有效降低系統(tǒng)的電能損耗和機(jī)械能損耗。

4 變頻器在油氣生產(chǎn)用電設(shè)備中的作用

（1）變頻器的作用主要是調(diào)整電機(jī)的功率、實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行，以達(dá)到省電的目的。

（2）同時變頻器的作用可以降低電力線路電壓波動，因?yàn)殡妷合陆祵?dǎo)致同一供電網(wǎng)絡(luò)中的電壓敏感設(shè)備故障跳閘或工作異常。

（3）用了變頻器后，變頻器的作用能在零頻零壓時逐步啟動，這樣能最大程度的消除電壓下降，發(fā)揮更大的優(yōu)勢。

5 變頻器在油氣集輸控制用電設(shè)備中的應(yīng)用變頻器的選型應(yīng)滿足以下條件：

（1）電壓等級與控制電機(jī)相符。

（2）額定電流為控制電機(jī)額定電流的1.1～1.5倍。

（3）根據(jù)被控設(shè)備的負(fù)載特性選擇變頻器的類型使工作時的管路特性曲線與泵的相似工況線重合。

6 變頻調(diào)速技術(shù)在油氣生產(chǎn)應(yīng)用需解決的問題

（1）變頻器的控制問題。這個必須解決變頻器如何適應(yīng)多變的工作環(huán)境，必須提高變頻器控制技術(shù)適應(yīng)不同控制的能力。

（2）變頻控制成本較高的問題。與一般控制柜相比，變頻控制的成本稍高，因而必須提高相關(guān)產(chǎn)品的配套能力，在保證可靠性的前提下降低成本。

7 結(jié)束語

實(shí)踐證明，變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù)，用于風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備驅(qū)動控制場合取得了顯著的節(jié)電效果，是一種理想的調(diào)速控制方式。既提高了設(shè)備效率，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，并且因此而大大減少了設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用，其應(yīng)用已經(jīng)推廣到石油行業(yè)的各個部門。

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