变频调速控制节能技术的油田应用

杨有为（大庆油田有限责任公司第二采油厂）

采油厂目前油、水泵等设备都是按当时最大负荷设计并选型的，而在实际运行时，大部分时间轻载运行，负荷并没有达到设计要求，为了保证生产平稳，依靠其出口阀门控制排量，造成泵管压差过大，阀门节流损失严重。还有一部分靠打回流维持生产，这样既降低了泵效，又浪费了大量的电能，据测算一般损失电能在30%～40%。变频器具有节能和提高自动化程度等一系列的优点，采用变频调速技术，可以完全消除上述弊病，不仅节能降耗、提高系统效率，而且还减轻了工人的劳动强度、延长设备使用寿命，同时也使生产管理的自动化水平上一个新台阶。

1 变频调速的机理及工作原理

1.1 机理

交流异步电动机的转速公式：

式中：

n——电动机转速；

f1——定子供电频率；

p——极对数；

S——转差率。

由公式可以看出，当S变化不大时，n正比于f1，改变供电电源频率，可以调节异步电动机的转速，如果均匀地改变电动机定子供电频率 f1，可平滑地改变电动机的同步转速n，在调速时，为保持电动机的最大转矩不变，需维持电动机的磁通恒定。因而，在改变供电频率的同时，定子供电电压应作相应调整才能保证电动机的运转性能不受到影响，所以变频器具有调频、调压两种功能[1]。

1.2 工作原理

变频器虽然生产厂家众多，但从结构上看，变频器一般分为交-交变频器和交-直-交变频器两类。油田使用的变频器大都属于交-直-交变频器，交-直-交变频器就是把频率固定的交流电源直接变成频率连续可调的交流电源，其主电路结构图见图1。

交-直-交变频器的工作过程是：先将电源的三相（或单相）交流电经过整流桥整流成直流电，经过平滑滤波，又经逆变把直流电“逆变”成频率任意可调的三相交流电，使电极获得无级调速时所需要的电压、电流和频率。

以某公司生产的变频器为例，装置的控制核心为单片机控制系统，输入部分由整流模块和高压大容量电容组成，它们将工频电源转换成直流电，输出部分由驱动系统、大功率晶体管（IGBT）模块组成，它们将直流电转换成频率随意可调的交流电输出，达到电动机调速的目的。

变频调速装置的闭环控制原理主要是：被控物理量（压力、液位、流量等）由测量该物理量的变送器测量后送入该物理量的控制器（PID或其它控制器），并与该物理量的给定值（在控制器内该值根据工艺需要确定）进行比较、运算，由控制器输出一调整信号给变频器，变频器带动机泵在某一适当频率范围内运行，使被控物理量的值与所需控制量的值偏差减小，这一过程周而复始，使被控物理量的实际值与所需控制量的值偏差越来越小，变频器频率的波动范围也越来越小，整个控制系统趋于动态平衡，从而达到了变频器闭环自动控制的目的，实现整个系统节能、平稳、高效的生产[2]。

系统主要控制参数是根据现场工艺情况逐渐摸索确定的，由于每一个使用系统的工况不同，控制器的主要参数的设定也不同，因此控制器参数的设定，需具体问题具体分析来确定。变频器闭环控制原理见图2。

图2 闭环控制原理图

2 用阀门控制流量与变频器控制流量节能效果对比

2.1 用阀门控制流量增大了管道阻力，增加了阀门的节流损失

由图3特性曲线所示，假设速度为N，管道阻力为R1，流量为Q2，压力将从H1增加到H2，但轴输出功率的减小幅度很小，轴输出功率计算公式：

式中：

H——压力，MPa；

Q——流量，m3/h；

η——效率。

通过阀门调节来改变泵的工作点，从表面上看，泵效提高了，但实际对整个生产系统来说，并没有节能，泵效提高所节约的能量恰好又消耗在阀门的节流损失上，并没有达到节能的目的。

图3 阀门控制特性曲线

2.2 用变频器控制流量消除了阀门的节流损失

由特性曲线图4可以看出，变频器控制流量，管道阻力恒定，当速度为N1，流量为Q1时，如果电动机从N1改为N2，流量将降为Q2，压力将从H1增加到H3，所以轴功率的大量减少节能效果十分明显。

图4 变频器控制特性曲线

2.3 节能效果对比

阀门控制和频率控制特性曲线对比见图5。

图5 二者对比特性曲线

在阀门控制的情况下，是依靠把管道阻力从R1变为R2来控制的，此时压力将从H1增加到H2，轴功率变化很小，几乎是常数，所要求的轴功率仅从面积（0，Q1，A1，H1）变为（0，Q2，A2，H2）而在变频器控制的情况下，在管阻恒定的情况下，电动机速度从N1改为N2，所得到流量Q2，在这种情况下，所要求的轴功率相当于面积（0，Q2，A3，H3）所以变频器控制多节省面积为（H3，A3，A2，H2）的能量。

在阀门控制流量时，功率随着流量变化幅度极小，在变频器控制流量时，由流体力学可知转速(N)，流量(Q)，扬程(H)，轴功率(P)的关系：

可以看出，当转速下降1/2时，则流量下降1/2，扬程下降3/4，轴功率下降7/8，随泵的转速下降，轴功率成三次方关系下降，所以节能效果比较显著。

变频器控制流量，除节约电能外，还可减少设备的机械磨损；对电动机有过流，过载等保护作用；起动平稳，可延长机泵使用寿命；减小噪音，改善工作环境；降低劳动强度。

3 现场应用实例

以某中转站的输油泵上安装了一套变频调速器闭环自动控制系统为例分析，该闭环自动控制系统由一台ESK851液位变送器、一台东芝37kW变频调速器、一台37kW电动机和泵组成。

该系统运行期间，泵出口阀全部处于打开状态，值班人员没有再对机泵进行人工操作，三合一罐液位在给定液位附近上下波动仅3cm，频率范围波动仅2Hz，使整个生产过程在全自动状态下平稳运行。安装变频闭环控制系统前、后机泵参数对照（采用安装变频器前10日、后10日数据平均值）见表1。

表1 安装变频前、后输油泵生产参数

从数据对比可知，节电在32%左右，安装变频调速控制系统前，该站的生产工艺明显处于节流状态，输液单耗达0.43kWh/m3；安装变频调速控制系统后，节流状态基本消除了，输液单耗也降到0.21kWh/m3。可见采用变频闭环控制技术，对改变设备运行工况、实现自动化生产、对节能降耗是非常理想的。

4 几点认识

1）变频器的软启动和无级调速，消除了对电网的冲击，延长电器装置的寿命，同时可使自然功率因数达到0.95以上。

2）操作简单，能量转化效率高，动态响应快，完善的保护与故障自诊断等电脑智能化，易于实现生产过程的自动化，有着同类节能产品无可比拟的优越性。

3）在较大的生产系统中，采用变频调速闭环控制技术控制油水泵运行，是最经济合理的生产方式，是提高系统效率的最佳途径。不仅是节能降耗的需要，同时也是利于科学管理，促进稳定生产、安全生产。

4）当负荷率长期高于95%时，变频调速的节电效果已经很低，甚至多耗电，应该退出运行。满负荷的工作还会加速部分电器元件的老化，缩短使用寿命。

5）一套变频调速装置，装于两个不同的生产系统中，会有不同的节电效果。装置的手动和自动控制，节电率要相差10%左右。所以在推广时要认真调查研究，搞好效果预测工作，在运行时要把生产参数调整至最佳状态，才能获得最高的经济效益。

[1]张智贤,沈永良.自动化仪表与过程控制[M].北京:中国电力出版社,2009.

[2]陶权,王凤桐.自动化综合应用工程[M].北京:化学工业出版社,2011.