油田输油油泵变流量变频控制技术

        液泵(水泵、油泵等)同风机一样，也是工业界中量大面广的通用机械。也是一种转速三次方耗能系统，同样具有极大的节能潜力。以石油行业的输油控制系统为例，可以看出:采用变流量泵机系统是石油行业节能的重大措施。
        原油是石油行业的生产对象和基础产品。不同油田、不同油层的原油是戮度不同的流体，它在管道内的运输经常是变流量的。在非自喷的油井中，井下的潜油泵、井上的磕头机都由电动机驱动，井下油流大小的变化也使这些机器处于变流量工况。在国内油田中，通过大功率注水系统来提高油田的出油是普遍采用的技术，该注水泵的流量变化也有类似的问题。这里以输油系统的调速节能展开分析。
        根据油田生产的特点，在地面工程投产初期，普遍存在设备容量偏大，运行效率偏低，电能消费较大等问题。从输油泵运行状况看，泵在额定转速下运行时所能抽的液量，同实际长期运行的输送液量相比有相当的差别。技术改造之前，只能用关小阀门来调节所输液量。随着油田生产的发展，耗电量的日益增加，节约用电势在必行。近年来采用油泵一调速来减小电耗的方法较多，如液力藕合器、液体调速离合器，电磁滑差调速电机、变极调速、调压调速等在油田上儿乎都有所应用，节能效果一般为10%~30%。实践表明，效率最高、应用最方便的还是变频调速技术。
(1)变流量系统介绍
        输油系统中，许多设备的能耗都与机组的转速有关，其中油泵最为突出。这些设备一般都是根据生产中可能出现的最大负荷条件，如最大流量和扬程进行选择的。但实际生产所需的流量，往往比设计的最大流量小得多。如果所用的电动机是不能一调速的，通常只能通过调节阀门的开度来控制流量，其结果在阀门上会造成很大的能量损耗。如果让电动机调速运行，那么，当需要的流量减少时，电动机的转速降低，消耗的能量会明显减少。
        根据流体力学的原理，输油泵系统的流量Q同转速n的一次方成正比、转矩M同转速n的二次方成正比、损耗功率P同转速n的三次方成正比的规律，用阀门节流时下标取0(代表老方法)，用调速节流时下标取1(代表新方法)则有： 当n₂ < n₁时，P2<P1。用电动机降速代替关小阀门来控制油流量的减少，那么，随着泵的输出压头压力降低，在输送同样流量的情况下，原来消耗的阀门功率就可以完全避免，这就是调速节能原理所在。
供油系统具有以下特点:
        ①用油量变化大，随用油量的不同而发生较大变化，若电动机恒速运行，轻负荷时供大于求，常常油压过大，耗电量大;重负载时供不应求。
        ②对油压要求高，希望保持供油区内最不利的供油点处于恒压，因而加压站或者出油口压力应是可以设定的(可以根据用户要求设定油压值)。
        ③流量是由用户控制的。
       要满足上述条件，又要节电，采用自动调节油泵转速是较好的方法。因此根据流量的变化自动调节油泵转速，保证供油点恒压将获得较显著的效果。采用其它方法调节电动机转速使油泵偏离额定状况后系统效率会有所降低，尽管这样，总节电效果依然是相当可观的。但是，采用变频方法来调速，较低速度下电动机的效率还可以保持较高，节能效果就更好。在控制单台泵的场合，采用压力闭环调节电机转速达到自动调节油管道压力目的，在控制多台泵的场合，为尽可能提高节电率，降低设备投资，采用多泵并联，用台数控制(工频工作)和转速控制(调速工作)相结合的方法有序适应流量变化的实际工况应该是最佳方案。
        选择调速方案时要考虑的方面是:节电效果，设备投资，节电后的设备投资回收时间，设备可靠性等。一般在油田较为常用的调速方法有液力藕合器调速、串级调速、调压调速和变频调速四种。相比而言，变频调速节电效果显著，近几年应用较为广泛，尤其适应于风机油泵类负载。
(2)变频一调速用于输油泵变流量控制的效果
①系统特点如下。
        a.在JL台油泵的恒压供油系统中，变频器容量只是系统容量的几分之一从而大大降低了电控系统造价。
        b.由于系统由单台或多台泵构成，它们既可由可编程控制器自动控制，又可手动投人电网通行，从而提高了系统可靠性，使用可编程控制替代继电控制。线路简单，容易实现联锁、互锁和顺序控制，提高了控制水平。
        c.系统可以实现流量从零到最大流量变化时自动调节油压恒定，并采用调速方式，较好节约能源。
        d.每台电动机均由变频器平滑启动，减少了冲击电流，提高了设备的寿命，减少了维修费用。
        e.当系统出现严重故障而未立即排除时，可迅速切换到附加控制装置。
②变频调速的优点:
        a.转差损失小，效率高达90%一95%以上。
        b.实现平滑的无级调速精度高，调速范围(0一100%)大。
        c.启动转矩大(可达额定值的1一1.1倍)，启动电流小，电动机的转矩脉动小，实现软启动而且运行平稳。
        d.安装容易、调速方便、操作简单。
        e.可靠性高，具有过流、过压、缺相、短路等多种保护功能。
近几年，随着电力电子技术发展，变频调速器的应用更加方便、更加可靠。对旧设备改造，改善工艺条件，提高控制精度，以及实现自动化都有显著作用。
③系统可靠性。变流量控制输油系统中要求变频器、接触器、热继电器、电压表、电流表选用定点厂家的优质产品，以提高整机可靠性。
控制系统除具有自动控制外，还应保留根据紧急或特殊情况时能使输油泵手动投人工作，采用直接软启动控制的功能，以保证输油控制的高可靠性。
(3)结论
        ①节电效果显著，能耗降低。变频调速器的投人取消了调节阀和出口阀门，排除电动机不能随泵负荷上下波动调节而总处于全负荷状态的高耗能工况。节电一般在40%以上。电动机调速后电流相应减小，从电网吸收的功率大大减少，因而可节约大量电能，功率计算公式为 式中：P为有功功率;
            V₁为线电压;
            I₁—线电流;
           cosφ—功率因数。
以改造过的一套输油控制系统计算： 每年按335天(8040h)计算，可节电能： 按目前油田电价平均0.25元/kW " h计，则每年可节电费139413.6 × 0.25=3.49万元。
        ②使用变频器后，输出泵电机工作电流明显下降，电动机运行温度明显下降，同时减少了机械磨损，机械检修工作量也大大减少。
        ③各种保护功能可靠，从而消除了电机过载或缺相运行的故障状态，确保了电机运行寿命。
        ④系统采用闭环控制，既能够消除稳态误差，提高精度，自动调节流量，直到达到设定负荷为止。
        ⑤提高自动化水平，减轻操作人员的劳动强度，保证设备的长周期平稳运行。
        ⑥在加温输油系统中，可减少油料消耗，保持输油的稳定性，提高燃油的利用率。
         石油系统是采用交流电动机变频调速节能的大户。除本节介绍的输油系统外，注水系统、潜油泵驱动、磕头机驱动，还有钻井时钻机主轴的调速等都可以采取类似的变频调速技术，当然，各有其特点。这种液体流量的控制在化工、轻工等行业中也有推广应用的成功范例。