變頻調速裝置在污水站反沖洗泵上的應用與效果分析

廉桂華 王萬麗 (大慶油田有限責任公司第六采油廠)

變頻調速裝置在污水站反沖洗泵上的應用與效果分析

廉桂華 王萬麗 (大慶油田有限責任公司第六采油廠)

在油田生產中，油水泵部分時間在變工況狀態下運行，普遍采用出口節流（回流）控制方式。加之設計選型時設備容量偏大，使得油水泵的排量和壓力往往大于實際生產需要，造成很大的能源浪費。這種控制方式具有諸多的不利因素： ①反沖洗泵運行工況較差，泵效低，能耗高；②調節閥節流造成流體阻力增大，產生能量損失，機泵憋壓，且閥心機械磨損嚴重；③調節閥節流及機泵引起的噪音大，不利于環保，操作環境差；④反沖洗流量變化時產生“水擊”現象，經常出現這種現象對濾罐濾料損害非常嚴重。為改變這種生產狀況，給反沖洗泵加裝了變頻調速裝置，從根本上消除了采用電動調節閥控制的不利因素，實現了安全平穩運行，而且節能效益顯著。

反沖洗泵 變頻調整裝置 技術措施 節能效果

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自動控制反沖洗閥、回流閥來調節反沖洗水量、強度及壓力來完成的，具體是通過設定閥門開度及PID運算來控制閥門開度。

具體的控制過程是：每個反沖洗周期為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PID控制來調節閥門開度。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，回流閥的閥門開度也做相應的變化。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。其回流閥開度隨時間變化

正好與出口閥開度隨時間變化曲線相反。

圖1 反沖洗出口閥開度隨時間變化曲線

可見，反沖洗操作控制過程復雜，用閥控制流量在控制上存在滯后與誤差，控制效果差。從過濾罐進行反沖洗的操作可以看出，反沖洗泵運行時，一直處在變工況下，也就是排量由小到大，再由大到小，每洗一個過濾罐就要重復一次。而電動機的轉速是固定的，即額定排量恒定，因此，只能靠調節閥進行回流調。這樣在小排量時勢必使機泵出現大馬拉小車的現象，浪費了大量電能。針對這種情況進行了分析，以使機泵始終在最佳工作點運行。所謂最佳工作點，就是泵給出的能量等于系統所消耗的能量。由圖2可以看出，管路特性曲線與泵特性曲線的交點就是離心泵的工作點。離心泵在該點運行，泵效最高。

圖2 離心泵工作點曲線

要想達到此種效果，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、增減缸數和改變電動機轉速等。而更換缸套、柱塞、增減缸數較適合于工況相對穩定的系統，而對于系統波動大的極不穩定工況，最佳方法是改變電動機的轉速。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型變頻調速裝置。

2 變頻調速技術原理

變頻器是通過三相交流電的頻率變化來改變異步電動機的轉速，即

式中：n——電動機轉速，r/min；

f——電源頻率，Hz；

p——定子繞組極對數。

由上式可知，頻率 f與轉速n之間為正比關系，因此通過變頻器對電源頻率的調節可實現對電動機轉速變化的調節。

根據離心泵的比例定律，在n與n′下的流量Q與Q′、揚程H和H′、功率N和N′分別與轉速有下列關系：

由上述關系式得出，調節電動機交流電的頻率就能調節離心泵流量、揚程和功率，使之符合工藝要求。比例定律表明，離心泵的流量與轉速成正比；揚程與轉速的平方成正比；軸功率與轉速的立方成正比。由此可見，當電動機轉速稍有下降時，電動機功率就會大幅度降低，耗電量也就大為減少。

當采用變頻調速方法時，轉速由n1變為n2，流量由Q1變為Q2，其揚程曲線則由“1”變為“2”（圖3），離心泵工作點從A到B，軸功率為：NB=Q2HB/η。

圖3 離心泵的H-Q曲線

當采用調節閥控制流量方法時，轉速不變，揚程曲線仍為“1”，流量Q1降為Q2，則離心泵工作點從A到C，軸功率為：Hc=Q2Hc/η。

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

從圖3可以看出，應用變頻調速技術，可以達到“依據不同的運行工況通過變頻調速使反沖洗泵滿足運行工況”的要求，這時將泵出口閥全開，避免了泵出口閥的節流損失。

3 變頻調速技術措施

變頻調速裝置應用在污水反沖洗操作中，固然可產生較好的節能效益，但由于污水系統屬于油田生產中的一個重要樞紐環節，除對設備本身要求有較高的可靠性之外，在技術上必須與現場的工藝特點相結合，充分考慮現場操作，諸如啟動、停機,以及調節等方面的安全性、適用性和方便性。

（1）系統設置了工頻、變頻手動切換功能。一旦變頻系統出現故障，可以手動切換到工頻檔，將變頻系統甩開，在變頻系統維修期間可保障反沖洗泵的正常運行，滿足生產的需要。

（2）系統運轉頻率的調節采用開環手動調節方式。因為受整個污水系統管網波動的影響，如采用閉環控制，很容易由于各種原因造成系統的自動保護而停機，甚至引起污水系統的擾動。而采用開環控制，在不同工況下，人為的設定和調整變頻系統的參數，既可減少部分初期投資，又可保證污水系統的安全運行。

（3）現場設置啟動、停止以及緊急停機按鈕，極大地方便了現場操作人員的操作，減輕了工人的勞動強度。

（4）在變頻調速系統內設置適合與現場實際的報警功能，并對運行的參數、操作情況和故障等具有詳細的顯示功能。

4 變頻調速效果分析

4.1 節電效果分析

從安裝變頻裝置前后的生產綜合數據來看，節能效果是顯著的，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個百分點，耗電量有所下降。其節電量：反沖洗泵每天平均運行2 h，平均每小時節電量為15 kW·h；則一年的節電量為：15×2×365=10 950 kW·h，合計人民幣約為8.8×103元。

表1 安裝變頻裝置前后數據對比表

4.2 減少維修費用

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轉時軸承溫度達80～85℃，而變頻后軸承溫度僅為70～75℃，這將大大延長反沖洗泵的軸承、機械密封等易損部件的壽命。機泵正常運行，不再產生憋壓現象，且減少閥心機械磨損，延長其使用壽命。

4.3 污水處理指標合格

由于運用變頻技術進行反沖洗，反沖洗強度達到了理想要求，從而使濾罐在較好的狀態下運行；同時對濾罐沒有造成損害，使反沖洗達到了比較好的效果。安裝后，增加了濾后水質化驗次數，觀察其對水質的影響。從2003年與2007年的對比（表2）可以看出，水質各項指標有所好轉，符合標準要求。

4.4 噪音小

由于變頻器是以高載波來進行運轉的，故可控制電動機的噪音，使機泵靜音化運轉，改善了操作環境。

表2 安裝變頻裝置前后水質指標對比

5 結束語

變頻調速節能技術是實現節能的有效途徑，它將閥門節流工況調節方式改為調節離心泵的轉速來調節工況的方式，具有調節方便的特點，泵出口閥全開，有效地避免了截流損失，具有較好的節能效果。但由于高壓變頻調速系統目前正處于技術發展階段，且初期投資高，因此必須選用可靠性高、性能好、價格適中的高壓變頻裝置。應用過程中必須與現場工藝狀況緊密結合，選擇適當的調速控制方式，在保證系統安全平穩運行的情況下，收到最佳的節能效果，并取得可觀的經濟效益。

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[3]李方園.淺談變頻器發展和應用的幾個趨勢[J].變頻器世界[J],2004(9).

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.01.005

2010-12-10）

廉桂華，畢業于大慶石油學院，助理工程師，現在大慶油田有限責任公司第六采油廠三礦從事節能管理工作，E-mail：lianguihua@petrochina.com.cn。