變頻調速控制節能技術的油田應用

楊有為（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

采油廠目前油、水泵等設備都是按當時最大負荷設計并選型的，而在實際運行時，大部分時間輕載運行，負荷并沒有達到設計要求，為了保證生產平穩，依靠其出口閥門控制排量，造成泵管壓差過大，閥門節流損失嚴重。還有一部分靠打回流維持生產，這樣既降低了泵效，又浪費了大量的電能，據測算一般損失電能在30%～40%。變頻器具有節能和提高自動化程度等一系列的優點，采用變頻調速技術，可以完全消除上述弊病，不僅節能降耗、提高系統效率，而且還減輕了工人的勞動強度、延長設備使用壽命，同時也使生產管理的自動化水平上一個新臺階。

1 變頻調速的機理及工作原理

1.1 機理

交流異步電動機的轉速公式：

式中：

n——電動機轉速；

f1——定子供電頻率；

p——極對數；

S——轉差率。

由公式可以看出，當S變化不大時，n正比于f1，改變供電電源頻率，可以調節異步電動機的轉速，如果均勻地改變電動機定子供電頻率 f1，可平滑地改變電動機的同步轉速n，在調速時，為保持電動機的最大轉矩不變，需維持電動機的磁通恒定。因而，在改變供電頻率的同時，定子供電電壓應作相應調整才能保證電動機的運轉性能不受到影響，所以變頻器具有調頻、調壓兩種功能[1]。

1.2 工作原理

變頻器雖然生產廠家眾多，但從結構上看，變頻器一般分為交-交變頻器和交-直-交變頻器兩類。油田使用的變頻器大都屬于交-直-交變頻器，交-直-交變頻器就是把頻率固定的交流電源直接變成頻率連續可調的交流電源，其主電路結構圖見圖1。

交-直-交變頻器的工作過程是：先將電源的三相（或單相）交流電經過整流橋整流成直流電，經過平滑濾波，又經逆變把直流電“逆變”成頻率任意可調的三相交流電，使電極獲得無級調速時所需要的電壓、電流和頻率。

以某公司生產的變頻器為例，裝置的控制核心為單片機控制系統，輸入部分由整流模塊和高壓大容量電容組成，它們將工頻電源轉換成直流電，輸出部分由驅動系統、大功率晶體管（IGBT）模塊組成，它們將直流電轉換成頻率隨意可調的交流電輸出，達到電動機調速的目的。

變頻調速裝置的閉環控制原理主要是：被控物理量（壓力、液位、流量等）由測量該物理量的變送器測量后送入該物理量的控制器（PID或其它控制器），并與該物理量的給定值（在控制器內該值根據工藝需要確定）進行比較、運算，由控制器輸出一調整信號給變頻器，變頻器帶動機泵在某一適當頻率范圍內運行，使被控物理量的值與所需控制量的值偏差減小，這一過程周而復始，使被控物理量的實際值與所需控制量的值偏差越來越小，變頻器頻率的波動范圍也越來越小，整個控制系統趨于動態平衡，從而達到了變頻器閉環自動控制的目的，實現整個系統節能、平穩、高效的生產[2]。

系統主要控制參數是根據現場工藝情況逐漸摸索確定的，由于每一個使用系統的工況不同，控制器的主要參數的設定也不同，因此控制器參數的設定，需具體問題具體分析來確定。變頻器閉環控制原理見圖2。

圖2 閉環控制原理圖

2 用閥門控制流量與變頻器控制流量節能效果對比

2.1 用閥門控制流量增大了管道阻力，增加了閥門的節流損失

由圖3特性曲線所示，假設速度為N，管道阻力為R1，流量為Q2，壓力將從H1增加到H2，但軸輸出功率的減小幅度很小，軸輸出功率計算公式：

式中：

H——壓力，MPa；

Q——流量，m3/h；

η——效率。

通過閥門調節來改變泵的工作點，從表面上看，泵效提高了，但實際對整個生產系統來說，并沒有節能，泵效提高所節約的能量恰好又消耗在閥門的節流損失上，并沒有達到節能的目的。

圖3 閥門控制特性曲線

2.2 用變頻器控制流量消除了閥門的節流損失

由特性曲線圖4可以看出，變頻器控制流量，管道阻力恒定，當速度為N1，流量為Q1時，如果電動機從N1改為N2，流量將降為Q2，壓力將從H1增加到H3，所以軸功率的大量減少節能效果十分明顯。

圖4 變頻器控制特性曲線

2.3 節能效果對比

閥門控制和頻率控制特性曲線對比見圖5。

圖5 二者對比特性曲線

在閥門控制的情況下，是依靠把管道阻力從R1變為R2來控制的，此時壓力將從H1增加到H2，軸功率變化很小，幾乎是常數，所要求的軸功率僅從面積（0，Q1，A1，H1）變為（0，Q2，A2，H2）而在變頻器控制的情況下，在管阻恒定的情況下，電動機速度從N1改為N2，所得到流量Q2，在這種情況下，所要求的軸功率相當于面積（0，Q2，A3，H3）所以變頻器控制多節省面積為（H3，A3，A2，H2）的能量。

在閥門控制流量時，功率隨著流量變化幅度極小，在變頻器控制流量時，由流體力學可知轉速(N)，流量(Q)，揚程(H)，軸功率(P)的關系：

可以看出，當轉速下降1/2時，則流量下降1/2，揚程下降3/4，軸功率下降7/8，隨泵的轉速下降，軸功率成三次方關系下降，所以節能效果比較顯著。

變頻器控制流量，除節約電能外，還可減少設備的機械磨損；對電動機有過流，過載等保護作用；起動平穩，可延長機泵使用壽命；減小噪音，改善工作環境；降低勞動強度。

3 現場應用實例

以某中轉站的輸油泵上安裝了一套變頻調速器閉環自動控制系統為例分析，該閉環自動控制系統由一臺ESK851液位變送器、一臺東芝37kW變頻調速器、一臺37kW電動機和泵組成。

該系統運行期間，泵出口閥全部處于打開狀態，值班人員沒有再對機泵進行人工操作，三合一罐液位在給定液位附近上下波動僅3cm，頻率范圍波動僅2Hz，使整個生產過程在全自動狀態下平穩運行。安裝變頻閉環控制系統前、后機泵參數對照（采用安裝變頻器前10日、后10日數據平均值）見表1。

表1 安裝變頻前、后輸油泵生產參數

從數據對比可知，節電在32%左右，安裝變頻調速控制系統前，該站的生產工藝明顯處于節流狀態，輸液單耗達0.43kWh/m3；安裝變頻調速控制系統后，節流狀態基本消除了，輸液單耗也降到0.21kWh/m3。可見采用變頻閉環控制技術，對改變設備運行工況、實現自動化生產、對節能降耗是非常理想的。

4 幾點認識

1）變頻器的軟啟動和無級調速，消除了對電網的沖擊，延長電器裝置的壽命，同時可使自然功率因數達到0.95以上。

2）操作簡單，能量轉化效率高，動態響應快，完善的保護與故障自診斷等電腦智能化，易于實現生產過程的自動化，有著同類節能產品無可比擬的優越性。

3）在較大的生產系統中，采用變頻調速閉環控制技術控制油水泵運行，是最經濟合理的生產方式，是提高系統效率的最佳途徑。不僅是節能降耗的需要，同時也是利于科學管理，促進穩定生產、安全生產。

4）當負荷率長期高于95%時，變頻調速的節電效果已經很低，甚至多耗電，應該退出運行。滿負荷的工作還會加速部分電器元件的老化，縮短使用壽命。

5）一套變頻調速裝置，裝于兩個不同的生產系統中，會有不同的節電效果。裝置的手動和自動控制，節電率要相差10%左右。所以在推廣時要認真調查研究，搞好效果預測工作，在運行時要把生產參數調整至最佳狀態，才能獲得最高的經濟效益。

[1]張智賢,沈永良.自動化儀表與過程控制[M].北京:中國電力出版社,2009.

[2]陶權,王鳳桐.自動化綜合應用工程[M].北京:化學工業出版社,2011.