輸油泵變頻工況研究分析

王婷郭鵬耿永峰朱榮乾

1 輸油泵變頻節(jié)能

變頻器的作用是改變交流電動機(jī)供電的頻率和幅值，從而改變其運(yùn)動磁場的周期，達(dá)到平滑控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

1.1 輸油泵變頻調(diào)速的基本原理

輸油泵變頻調(diào)速的理論根據(jù)是交流電動機(jī)工作原理中的轉(zhuǎn)速關(guān)系[1]：

式中：

n——電動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

f——輸油泵電動機(jī)的電源頻率,Hz;

p——電動機(jī)的磁極對數(shù);

s——轉(zhuǎn)差率。

由此可知，均勻改變電動機(jī)定子繞組的電源頻率 f，就可以平滑地改變電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。電動機(jī)轉(zhuǎn)速降低，軸功率就相應(yīng)降低，電動機(jī)輸入功率也隨之降低，從而實(shí)現(xiàn)輸油泵的變頻調(diào)速。

1.2 輸油泵變頻調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理

離心泵的特性曲線表明，其工況調(diào)節(jié)主要是調(diào)節(jié)流量，而調(diào)節(jié)流量最主要的方法有2種：通過泵出口閥的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)；通過改變離心泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。前者雖然調(diào)節(jié)方便,但閘閥作為一個阻力元件，會產(chǎn)生很大的節(jié)流損失。通過變頻改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)輸油泵的工況調(diào)節(jié)，是滿足工藝運(yùn)行條件，保證泵能高效、節(jié)能、平穩(wěn)運(yùn)行的技術(shù)途徑。

在管路特性曲線不變的情況下，改變離心泵轉(zhuǎn)速后，其性能參數(shù)的改變由下式[1]確定：

式中：

Q、H、N——離心泵轉(zhuǎn)速為n時(shí)的流量、揚(yáng)程和功率；

Q1、H1、N1——離心泵轉(zhuǎn)速改變?yōu)閚1時(shí)的流量、揚(yáng)程和功率。

離心泵的特性曲線是用來表示離心泵的主要參數(shù)之間關(guān)系的曲線，一般用流量作橫坐標(biāo)，其他參數(shù)作縱坐標(biāo)來表示（圖1）。當(dāng)離心泵轉(zhuǎn)速為n1時(shí)，揚(yáng)程流量曲線為H-Q(n1)，效率曲線為ηn1，A1點(diǎn)為額定工況點(diǎn)，Q1為額定流量，H1為額定揚(yáng)程，此時(shí)泵在高效區(qū)運(yùn)行，效率為η1。運(yùn)行中要減少流量到Q2，有2種實(shí)現(xiàn)方式：一種是節(jié)流調(diào)節(jié)，A3點(diǎn)為新的工況點(diǎn)，Q2為對應(yīng)流量，H3為對應(yīng)揚(yáng)程，效率為η3，此時(shí)泵運(yùn)行偏離了高效區(qū)；另一種是調(diào)速調(diào)節(jié)，泵轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2，泵的H-Q（n1）曲線變?yōu)镠-Q（n2）曲線，效率曲線為ηn2，A2點(diǎn)為調(diào)速后新的工況點(diǎn)，Q2為對應(yīng)流量，H2為對應(yīng)揚(yáng)程，效率為η2。根據(jù)葉片式水里機(jī)械的相似理論有η2=η1，因此泵仍然在高效區(qū)運(yùn)行。

圖1 離心泵調(diào)節(jié)特性曲線[2]

2 輸油泵變頻工況測試分析

選魯克沁采油廠輸油泵為測試對象。它的型號為HDK70-100×8多級離心泵，額定流量為70m3/h，額定揚(yáng)程為800m，額定軸功率為289kW，生產(chǎn)廠家是杭州大路實(shí)業(yè)有限公司，出廠日期2010年6月。電動機(jī)型號為YB2-400S-2，額定功率355 kW，額定電流609A，額定電壓380V，額定轉(zhuǎn)速2988r/min，生產(chǎn)廠家是佳木斯電機(jī)廠，出廠日期2010年2月。所選的變頻器是愛默生EV2000。

測試過程：使用3169鉗位功率計(jì)在變電柜上進(jìn)行夾電測試，選用三相四線制。用9661型鉗位傳感器夾住導(dǎo)線，夾子上箭頭指示的方向?yàn)殡娏髁飨颍浑妷壕€夾在源位端的金屬部位，如螺母或母線上（圖2）。

圖2 連接電路示意圖

由此測出負(fù)載的一次端、二次端、三次端的電壓、電流、有功功率、無功功率、視載及功率因數(shù)。由于受現(xiàn)場工況條件的限制，現(xiàn)將所測的6個點(diǎn)轉(zhuǎn)速的平均值加以歸納（表1），并在各轉(zhuǎn)速下測得泵的進(jìn)出口壓力及泵流量（表2）。

表1 6個點(diǎn)轉(zhuǎn)速的平均值

表2 各轉(zhuǎn)速下泵的進(jìn)出口壓力及泵流量

根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算揚(yáng)程、泵軸功率和泵的運(yùn)行效率。

2.1 計(jì)算揚(yáng)程

根據(jù)公式[3]：

式中：

H——揚(yáng)程，m；

P1——泵出口壓力，MPa；

P2——泵進(jìn)口壓力，MPa；

ρ——原油密度，0.89t/m3；

g——重力加速度，9.81m/s2。

得出各轉(zhuǎn)速下?lián)P程為：

2.2 計(jì)算泵軸功率

根據(jù)P=3UIcosφ[1]得出電動機(jī)輸入功率， U為電壓；I為電流；cosφ為功率因數(shù)。

根據(jù)

根據(jù)Pa=P×η[4]得泵的軸功率

以此類推，得

2.3 計(jì)算泵的運(yùn)行效率

根據(jù)Pu=ρQgH×10-3[5]得出泵的輸出功率

以此類推，得

2.4 轉(zhuǎn)速與流量、轉(zhuǎn)速與泵運(yùn)行效率之間的關(guān)系

由于現(xiàn)場工況的限制，只做了上述6個點(diǎn)，運(yùn)用MATLAB軟件對其進(jìn)行圖形擬合，可知流量隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，但當(dāng)轉(zhuǎn)速為2732r/min時(shí)，流量達(dá)到最大值為70m3/h，即為實(shí)際工作狀態(tài)的最好工況，但當(dāng)超過最好工況點(diǎn)時(shí)，因?yàn)楣┮毫坎蛔懔髁繒兴陆担?dāng)這一點(diǎn)時(shí)泵的運(yùn)行效率達(dá)到最大值，過了這一工況點(diǎn)泵的運(yùn)行效率下降。

3 結(jié)論

根據(jù)以上測試和計(jì)算的結(jié)果可知：流量隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到一定程度時(shí)流量達(dá)到最大值，即當(dāng)轉(zhuǎn)速為2732r/min時(shí)，流量將達(dá)到額定值70m3/h，而過了這個轉(zhuǎn)速點(diǎn)由于供液量的不足會使流量下降，而泵的運(yùn)行效率在流量最大點(diǎn)時(shí)為效率最高點(diǎn)，過了這個轉(zhuǎn)速點(diǎn)效率則下降。在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)中因?yàn)楫a(chǎn)量會隨時(shí)波動，它不會固定到某個轉(zhuǎn)速點(diǎn)上持續(xù)為流量最大點(diǎn)和效率最高點(diǎn)，在供液許可的情況下，建議在2732～2797r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間運(yùn)行，運(yùn)用變頻調(diào)速的原理使泵在高效區(qū)運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

[1]張國權(quán),吳顯洪.輸油泵變頻節(jié)能分析與運(yùn)用[J].油氣儲運(yùn),2008,27（3）：53-54.

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[5]孫邈,王岳,曲道天,等.輸油泵變頻節(jié)能工藝技術(shù)研究[J].石油與石化設(shè)備,2010,13.