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(wěn)，依靠其出口閥門控制排量，造成泵管壓差過大，閥門節(jié)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(jié)能和提高自動化程度等一系列的優(yōu)點，采用變頻調速技術，可以完全消除上述弊病，不僅節(jié)能降耗、提高系統(tǒng)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(shù)；

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(jié)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(xù)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(tǒng)，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(tǒng)、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(huán)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(tǒng)趨于動態(tài)平衡，從而達到了變頻器閉環(huán)自動控制的目的，實現(xiàn)整個系統(tǒng)節(jié)能、平穩(wěn)、高效的生產[2]。

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

圖2 閉環(huán)控制原理圖

2 用閥門控制流量與變頻器控制流量節(jié)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(jié)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(jié)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(tǒng)來說，并沒有節(jié)能，泵效提高所節(jié)約的能量恰好又消耗在閥門的節(jié)流損失上，并沒有達到節(jié)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(jié)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(jié)能效果十分明顯。

圖4 變頻器控制特性曲線

2.3 節(jié)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?yōu)镽2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(shù)，所要求的軸功率僅從面積（0，Q1，A1，H1）變?yōu)椋?，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(jié)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(jié)能效果比較顯著。

變頻器控制流量，除節(jié)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(wěn)，可延長機泵使用壽命；減小噪音，改善工作環(huán)境；降低勞動強度。

3 現(xiàn)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(huán)自動控制系統(tǒng)為例分析，該閉環(huán)自動控制系統(tǒng)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(tǒng)運行期間，泵出口閥全部處于打開狀態(tài)，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(tài)下平穩(wěn)運行。安裝變頻閉環(huán)控制系統(tǒng)前、后機泵參數(shù)對照（采用安裝變頻器前10日、后10日數(shù)據平均值）見表1。

表1 安裝變頻前、后輸油泵生產參數(shù)

從數(shù)據對比可知，節(jié)電在32%左右，安裝變頻調速控制系統(tǒng)前，該站的生產工藝明顯處于節(jié)流狀態(tài)，輸液單耗達0.43kWh/m3；安裝變頻調速控制系統(tǒng)后，節(jié)流狀態(tài)基本消除了，輸液單耗也降到0.21kWh/m3?？梢姴捎米冾l閉環(huán)控制技術，對改變設備運行工況、實現(xiàn)自動化生產、對節(jié)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(shù)達到0.95以上。

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

3）在較大的生產系統(tǒng)中，采用變頻調速閉環(huán)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(tǒng)效率的最佳途徑。不僅是節(jié)能降耗的需要，同時也是利于科學管理，促進穩(wěn)定生產、安全生產。

4）當負荷率長期高于95%時，變頻調速的節(jié)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(tǒng)中，會有不同的節(jié)電效果。裝置的手動和自動控制，節(jié)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(shù)調整至最佳狀態(tài)，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(yè)出版社,2011.