變頻調速技術在外輸泵系統中的節能應用

【摘要】在油田生產中，注水站安裝的外輸泵的額定排量往往大于實際需要排量，在實施注水過程中，面臨系統壓力難以調節，啟動電流過大，電能損耗大等難題。如果使用變頻調速器，可以達到自動調節系統壓力，保護外輸設備的功效，并通過實際數據驗證了變頻器在外輸泵中有明顯的節能效果。

【關鍵詞】外輸泵；變頻調速；節能

1、變頻器節能原理

1.1 變頻器是交流電氣傳動系統的一種。是將交流工頻電源轉換成電壓、頻率均可變的、適合交流電機調速的電力電子變換裝置，變頻器改變異步電機的供電頻率，就可以改變其同步轉速，從而實現電機的調速。它的平滑軟啟動，降低了啟動沖擊電流，減少變壓器占有量，確保電機安全；在機械允許的情況下，可通過提高變頻器的輸出頻率提高工作速度；無級調速，調速精度大大提高；電機正反向無需通過接觸器切換；非常方便接人通信網絡控制，實現生產自動化控制。

1.2 對于驅動水泵的異步電動機，并不是經常處于滿載運行狀態地，即輸出流量是變化的。由于這類負載所消耗的功率與其流量和壓力的乘積成正比，壓力與轉速的平方成正比，所以功率與轉速的三次方成正比。因此，電機帶風機泵類負載時的功率平衡關系為：

電磁功率=機械負載功率+轉差功率

當采用變頻調速時，隨著轉速降低，軸功率隨轉速三次方迅速降低，電磁功率隨轉速二次方降低。同時，還可以回收轉子的轉差功率，所以節能效果顯著。

2、外輸泵現狀及存在的問題分析

2.1 油田采油廠外輸泵驅動電機在用電設備中占整個用電設備用電量的30%-40%。而根據實際管網運行情況來看，機泵耗電有效功率僅占30%-40%，而60%-70%的電能都消耗在調節閥門及管網的壓力降上，又由于用量常有變化，因此，機泵的實際總效是很低的，為此，用變頻器提高機泵的效率是至關重要的。

2.2 外輸泵的啟動方式直接影響著外輸設備及其電動機的使用壽命，原采用硬啟動方式，是在電動機額定頻率下直接啟動，啟動電流大，對電網及設備產生很大的沖擊，增加了電機及設備的轉差損耗，啟動靜阻力鉅較大，久而久之對電機產生巨大的破壞作用，極易造成電機軸頸斷裂，線圈燒壞等故障。

3、解決方案

3.1 設計一套由1只壓力傳感器，1個PLC可編程控制器及變頻器控制柜組成的負荷控制系統。自外輸泵出口引壓力變送器檢測的4～20mA信號傳至PLC控制器，變頻器按照設定值規定操控執行器去控制外輸泵電機的轉速，即可完成加/減載操作的自動控制，并實時調整，實現了負荷在任一設定壓力值下的穩定控制。

3.2 外輸泵可根據當時泵出口壓力的大小（使用壓力變送器信號）及時調整泵的外輸排量的大小，改變電機的轉速，使泵的出口壓力始終保持一個最佳的工藝常數，實現了外輸泵與實際工況匹配。另外該裝置選擇恒轉轉矩調速，實現了加減速啟動和停止，避免了大的啟動電流對電器及設備的沖擊。輸出了波形接近正弦波、諧波分量較少，極大的減少了電機的附加損耗，幾乎沒有裝讓差損耗，系統效率相對較高。

4、變頻節能系統的優越

4.1 實現了電機軟起動、自由停車。電機均通過變頻器，從0～50Hz作緩慢加速起動，可減少機泵因突然高速起動所帶來的影響，減少了直接起動時起動電流對電網的沖擊。

4.2 變頻器運行時的所有數據及運行狀態在值班室內微機的顯示屏就可直觀地了解：如運行頻率、泵口及管網水壓、變頻器輸入、輸出側的電壓、電流、開環或閉環運行狀態等；只需掌握計算機最基本的操作，即可完成水壓或頻率的給定、加減速、啟泵與停泵的操作等。即使操作失誤，相應的保護功能也很完善。

4.3通過變頻器實現水壓閉環控制，保持管網水壓的恒定，實現了壓力自動控制，被調節量得到更平穩的調節，增強了系統的穩定性和可靠性。工控機監控整個運行中的電壓、電流、頻率等，便于發生故障時及時找到原因，最大限度地保證水泵的正常運行。

4.4記錄了各個水泵運行時在各個頻率段的流量與單耗的對比，最大限度地發揮了變頻節能的優點。消除了泵的喘振現象，使泵運行處于最佳工況狀態。

5、變頻節能綜合效益分析

變頻節能系統在中原油田、江漢油田試運行兩年，整體節能效果比較明顯。通過對注水外輸泵節能效果進行分析。

變頻器改變電動機的轉速達到調節流量目的，電耗大幅度下降，它們流量與轉速建成正比，軸功率與轉速立方成正比。2014年初，中原油田在文三注外輸系統安裝了一臺vf-P7型變頻器，目前運轉良好。

表一是利用變頻調速技術可自動調整系統內泵的工作參數，經過測試省電效果可達20%，同時功率因數提高到0.95以上，減少了無功損耗。實現自動控制。不必人工手動起停外輸泵，降低勞動量。延長機械部件的使用壽命。使用變頻器調后，外輸泵大多數時間運行在工頻之下，能明顯減少機械部件的磨損，延長機械使用壽命，減少維修費用和縮短維修時間。實現了軟起動、恒壓供水、運行可靠的結果。

6、結束語

隨著電力電子技術的快速發展，變頻技術的日益完善，越來越多的變頻器調速系統在油田生產企業得到廣泛的應用。油田高壓注水、供水站是一個耗能大戶，許多設備的綜合能耗大大高于先進水平的能耗，而變頻器控制機泵的節電效果明顯，同時還增加智能化控制和軟啟動性能，進一步增強了注、供水的安全性。因此，在注水站推廣應用變頻器對節能降耗和提高智能化具有重要的意義。