变频调速装置在污水站反冲洗泵上的应用与效果分析

廉桂华 王万丽 (大庆油田有限责任公司第六采油厂)

变频调速装置在污水站反冲洗泵上的应用与效果分析

廉桂华 王万丽 (大庆油田有限责任公司第六采油厂)

在油田生产中，油水泵部分时间在变工况状态下运行，普遍采用出口节流（回流）控制方式。加之设计选型时设备容量偏大，使得油水泵的排量和压力往往大于实际生产需要，造成很大的能源浪费。这种控制方式具有诸多的不利因素： ①反冲洗泵运行工况较差，泵效低，能耗高；②调节阀节流造成流体阻力增大，产生能量损失，机泵憋压，且阀心机械磨损严重；③调节阀节流及机泵引起的噪音大，不利于环保，操作环境差；④反冲洗流量变化时产生“水击”现象，经常出现这种现象对滤罐滤料损害非常严重。为改变这种生产状况，给反冲洗泵加装了变频调速装置，从根本上消除了采用电动调节阀控制的不利因素，实现了安全平稳运行，而且节能效益显著。

反冲洗泵 变频调整装置 技术措施 节能效果

1 反冲洗操作控制方法

在未加装变频装置以前，反冲洗操作是用微机自动控制反冲洗阀、回流阀来调节反冲洗水量、强度及压力来完成的，具体是通过设定阀门开度及PID运算来控制阀门开度。

具体的控制过程是：每个反冲洗周期为17 min，1～5 min反冲洗阀门开度从25%以每分钟5%的梯度递增。5～12 min之间反冲洗最大排量为280 m3/h，在此期间阀门开度不固定，通过PID控制来调节阀门开度。12～17 min阀门开度从45%以每分钟5%的梯度递减（图1）。

与此同时，回流阀的阀门开度也做相应的变化。1～5 min反冲洗阀门开度从60%以每分钟5%的梯度递减，5～12 min之间回流阀关闭，12～17 min阀门开度以每分钟5%的梯度递增。其回流阀开度随时间变化

正好与出口阀开度随时间变化曲线相反。

图1 反冲洗出口阀开度随时间变化曲线

可见，反冲洗操作控制过程复杂，用阀控制流量在控制上存在滞后与误差，控制效果差。从过滤罐进行反冲洗的操作可以看出，反冲洗泵运行时，一直处在变工况下，也就是排量由小到大，再由大到小，每洗一个过滤罐就要重复一次。而电动机的转速是固定的，即额定排量恒定，因此，只能靠调节阀进行回流调。这样在小排量时势必使机泵出现大马拉小车的现象，浪费了大量电能。针对这种情况进行了分析，以使机泵始终在最佳工作点运行。所谓最佳工作点，就是泵给出的能量等于系统所消耗的能量。由图2可以看出，管路特性曲线与泵特性曲线的交点就是离心泵的工作点。离心泵在该点运行，泵效最高。

图2 离心泵工作点曲线

要想达到此种效果，常用的方法一般有两种：一是改变管路的特性曲线；二是改变泵的特性曲线。改变管路特性曲线的方法有入口节流、旁路回流等（这种方法仍存在着一定能量损失）。改变泵特性曲线的方法有更换缸套、柱塞、增减缸数和改变电动机转速等。而更换缸套、柱塞、增减缸数较适合于工况相对稳定的系统，而对于系统波动大的极不稳定工况，最佳方法是改变电动机的转速。从前面的反冲洗操作可以看出，反冲洗泵就属于第二种情况，因此安装了SFBP型变频调速装置。

2 变频调速技术原理

变频器是通过三相交流电的频率变化来改变异步电动机的转速，即

式中：n——电动机转速，r/min；

f——电源频率，Hz；

p——定子绕组极对数。

由上式可知，频率 f与转速n之间为正比关系，因此通过变频器对电源频率的调节可实现对电动机转速变化的调节。

根据离心泵的比例定律，在n与n′下的流量Q与Q′、扬程H和H′、功率N和N′分别与转速有下列关系：

由上述关系式得出，调节电动机交流电的频率就能调节离心泵流量、扬程和功率，使之符合工艺要求。比例定律表明，离心泵的流量与转速成正比；扬程与转速的平方成正比；轴功率与转速的立方成正比。由此可见，当电动机转速稍有下降时，电动机功率就会大幅度降低，耗电量也就大为减少。

当采用变频调速方法时，转速由n1变为n2，流量由Q1变为Q2，其扬程曲线则由“1”变为“2”（图3），离心泵工作点从A到B，轴功率为：NB=Q2HB/η。

图3 离心泵的H-Q曲线

当采用调节阀控制流量方法时，转速不变，扬程曲线仍为“1”，流量Q1降为Q2，则离心泵工作点从A到C，轴功率为：Hc=Q2Hc/η。

图3中“BCHcHB”组成的面积即为变频调速方法与调节阀控制流量方法相比节约的能量：ΔN=Nc-NB。

从图3可以看出，应用变频调速技术，可以达到“依据不同的运行工况通过变频调速使反冲洗泵满足运行工况”的要求，这时将泵出口阀全开，避免了泵出口阀的节流损失。

3 变频调速技术措施

变频调速装置应用在污水反冲洗操作中，固然可产生较好的节能效益，但由于污水系统属于油田生产中的一个重要枢纽环节，除对设备本身要求有较高的可靠性之外，在技术上必须与现场的工艺特点相结合，充分考虑现场操作，诸如启动、停机,以及调节等方面的安全性、适用性和方便性。

（1）系统设置了工频、变频手动切换功能。一旦变频系统出现故障，可以手动切换到工频档，将变频系统甩开，在变频系统维修期间可保障反冲洗泵的正常运行，满足生产的需要。

（2）系统运转频率的调节采用开环手动调节方式。因为受整个污水系统管网波动的影响，如采用闭环控制，很容易由于各种原因造成系统的自动保护而停机，甚至引起污水系统的扰动。而采用开环控制，在不同工况下，人为的设定和调整变频系统的参数，既可减少部分初期投资，又可保证污水系统的安全运行。

（3）现场设置启动、停止以及紧急停机按钮，极大地方便了现场操作人员的操作，减轻了工人的劳动强度。

（4）在变频调速系统内设置适合与现场实际的报警功能，并对运行的参数、操作情况和故障等具有详细的显示功能。

4 变频调速效果分析

4.1 节电效果分析

从安装变频装置前后的生产综合数据来看，节能效果是显著的，见表1。

从表1可以看出，在相同的流量下，使用前后的泵效、单耗都有明显的不同，泵效提高平均为15个百分点，耗电量有所下降。其节电量：反冲洗泵每天平均运行2 h，平均每小时节电量为15 kW·h；则一年的节电量为：15×2×365=10 950 kW·h，合计人民币约为8.8×103元。

表1 安装变频装置前后数据对比表

4.2 减少维修费用

变频后泵轴、轴承的磨损程度减小，以轴承为例，变频前反冲洗泵正常运转时轴承温度达80～85℃，而变频后轴承温度仅为70～75℃，这将大大延长反冲洗泵的轴承、机械密封等易损部件的寿命。机泵正常运行，不再产生憋压现象，且减少阀心机械磨损，延长其使用寿命。

4.3 污水处理指标合格

由于运用变频技术进行反冲洗，反冲洗强度达到了理想要求，从而使滤罐在较好的状态下运行；同时对滤罐没有造成损害，使反冲洗达到了比较好的效果。安装后，增加了滤后水质化验次数，观察其对水质的影响。从2003年与2007年的对比（表2）可以看出，水质各项指标有所好转，符合标准要求。

4.4 噪音小

由于变频器是以高载波来进行运转的，故可控制电动机的噪音，使机泵静音化运转，改善了操作环境。

表2 安装变频装置前后水质指标对比

5 结束语

变频调速节能技术是实现节能的有效途径，它将阀门节流工况调节方式改为调节离心泵的转速来调节工况的方式，具有调节方便的特点，泵出口阀全开，有效地避免了截流损失，具有较好的节能效果。但由于高压变频调速系统目前正处于技术发展阶段，且初期投资高，因此必须选用可靠性高、性能好、价格适中的高压变频装置。应用过程中必须与现场工艺状况紧密结合，选择适当的调速控制方式，在保证系统安全平稳运行的情况下，收到最佳的节能效果，并取得可观的经济效益。

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[3]李方园.浅谈变频器发展和应用的几个趋势[J].变频器世界[J],2004(9).

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.01.005

2010-12-10）

廉桂华，毕业于大庆石油学院，助理工程师，现在大庆油田有限责任公司第六采油厂三矿从事节能管理工作，E-mail：lianguihua@petrochina.com.cn。