ＥＯＵＩＰＭＥＮＴ ；：ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ计｝＊．Ｌ置及应用变频调速技术在油田中的应用显宏洲’．祁顺仁，，周明基，。袁征ｚ（１．塔里木油田公司开发事业部，库尔勒８４１０００； ２，塔西南勘探开发公司，泽普８４４８０４）［摘要］通过改变交流电源的频率来改变电机的转速，这项先进的技术在油田中得到了充分的应用。文章介绍了通过变频调速装置来改变注水泵流量、外输泵流量，控制外输缓冲罐液位，稳定装车汇管压力，对变频调速原理和优点进行了阐述。〔关键词〕变频；调速；应用 通过改变交流电电源的频率来改变电机的转速，是人们很久以来一直追求的调速方法。随着科学技术的进步，大功率晶体管电子技术的迅速发展，大规模集成电路和微机技术的突飞猛进，这种理想的调速方法已成了现实。变频调速器通过改变三相交流输入电源的频率使交流电动机实现无级调速，省去了传统机械变速装置。同时，变频器使电动机转速调节范围增大，通过变压变频，改变转速。作为先进科学技术比较集中的石油工业，变频调 速技术可应用在多个方面，不但通过调节使各种机泵运行在一个好的状态，而且节约了能源。１变频调速原理１．１基本原理变频调速器可以通过改变电机定子供电频率来改 变电机转速，以实现电机的调速。交流异步电动机的转速公式为：ｎ二６０厂Ｐ 式中：ｎ为电机转速，ｒ／ｍｉｎ； ｆ为定子供电频率，Ｈｚ；尸为定子绕组极对数。由式中看出，频率． ｆ与转速ｎ之间成正比关系，因此通过变频器对电源频率的调节可实现对电机转速变化的调节。１．２控制器可编程控制器（ＰＬＣ）是一种专为工业环境下应 用而设计的数字运算操作的电子系统。它采用一种可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输人输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。１．３变频调速装置工作原理变频调速装置工作原理见图１（以油罐底部污水 不处理回注单井为例）。［收稿日期］２００６－０２一２７工业计且２００６年增刊１ 在用户程序已存人ＰＬＣ主机的前提下，一旦ＰＬＣ接到运行命令，ＣＰＵ就根据系统的监控，进人循环扫描程序，ＰＬＣ读取输人端的状态（远传压力表通过管网检测瞬间出水量的变化，向ＰＬＣ控制器输人端提供管网的压力信号），并将实时压力信号Ｐ与控制器设定压力Ｐ。比较，当Ｐ＜Ｐ。时，控制器向变频器输出提高转速的信号，变频器则升频提高电机转速使流量增大，水压升高。当变频器频率升至工频后，如仍不能达到Ｐｏ，则自动将变频器所拖动的电机切至工频，然后拖动下一台电机（若该台电机出现故障，则自动跳过电机再拖动下一台）直到压力达到设定值Ｐｏｏ｝｛ 油罐一画图１ 变频调速装置工作原理示意图２在原油密闭输送系统中的应用 油井采出液汇集到联合站或转油站，通常先经过脱水分离，将净化原油自压进原油缓冲罐，再由输油泵输送到下站。在操作过程中原油能否实现密闭输送运行，很大程度上取决于原油缓冲罐的液位控制是否安全可靠。一般设计上，原油缓冲罐液位控制是通过输油泵出口调节阀自动调节流量，使液面保持在设定位置。这种控制方式具有诸多不利因素：①由于调节阀随液位高低变化开关频繁，输油压力波动大，不利计量装置及应用于原油密输运行；②输油泵运行工况较差，泵效低，能耗高；③调节阀节流造成原油流动阻力增大，产生能量损失，机泵憋压，且阀芯机械磨损严重，已损坏；④调节阀节流及机泵引起的噪声大，不利于环保，运行环境差。根据离心泵的比例定律，在ｎ和ｎ‘ 转速下的流ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ ， ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ统上应用变频调速装置，既可以通过控制缓冲罐液位的稳定来实现自动闭环控制，又可以节能降耗，提高集输系统效率。量口和口’、扬程Ｈ和Ｈ＇、功率Ｐ和Ｐ＇分别与转速有如下的关系：Ｑ／Ｑ，＝ｎ／ｎ＇ ； Ｈ／Ｈ＇＝（ ｎ／ｎ＇ ）２；图３变频器密闭控制模式图Ｐ／尸‘二（ｎ／ｎ＇ ）３ 由上述关系式得出，调节电机交流电的频率就能调节离心泵流量、扬程、功率，使之符合工艺要求，以消除泵出口调节阀引起的能量损失。 当采用变频调速方法时，转速由ｎｚ变为ｎ２，流量由Ｑｌ降为Ｑ２，其扬程曲线则由“１”变为“２＂（见图２），离心泵工作点从Ａ变到Ｂ，轴功率为：ＰＢ＝口２ＨＢ／／ｆ ｏ当采用调节阀控制流量时，转速不变，扬程曲线 仍为“１＂，流量由Ｑ，降为Ｑ２，则离心泵工作点从Ａ变到Ｃ，轴功率为：ＰＣ＝Ｑ２ＨＣ／ｒｇｏＨＨｃ场Ｑ２ Ｑｌ图２ 离心泵的Ｈ－０曲线图图２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：ＡＨ＝ＨＣ一ＨＢ 离心泵安装变频器后，原油缓冲罐的被控制参数（液位）信号由变送器转换成４一２０ｍＡ的直流信号送人调节器（计算机），与设定信号比较，其差值模拟量输送给变频器，随时调整输出频率，控制离心泵的转速，改变离心泵的排量，从而维持液位在设定位置。控制原理示意图见图３０３在集输系统中的应用油田集输系统在地面工程投产初期，普遍存在设 备容量大、运行效率低、电能浪费大的问题。从输油泵运行状况看，泵的额定排量远远大于实际排量，只能靠关小闸门来调节所输的液量，造成闸门前后压差大。据统计，平均压力损失在３０％左右。在集输系８０ ＨＨＡ卜一・ａ「一价Ｈｅ卜，・……“‘・・・一卜・・一卜一卜＼毯ｉ：；｝夕洽・……二Ｈ （ｎ，）Ｈ （ｎ２）Ｑ， Ｑｚ图４ 输油泵输出特性曲线图图４是输油泵在不同转速时的输出特性曲线。图 中Ｈ （ｎ，）、Ｈ （ｎ２）表示调速时的Ｑ＝ｆ （Ｈ）曲线，Ｒ，， Ｒ：表示阀门调节时的管路阻力曲线，阀门控制时Ｑ２变为Ｑ， ， Ａ点变为Ｂ， ＨＡ变为ＨＢ，阀门控制时功率消耗Ｐ，由ＯＨＢＢＱ，表示，调速时功率消耗Ｐ：由ＯＨＣＣ口Ｉ表示，Ｐ，＞Ｐ：表明，调速时功率消耗小于阀门节流时的消耗。如果不是用关小闸门的方法，而是把电机转速降下来，那么，随着泵的输出压力的降低，在输送同样流量的情况下，原来消耗在阀门上的功率就完全可以避免，这就是调速节能原理所在。４在注水系统中的应用 目前各油田多数采用注水开发方式，随着注水量的增加，油田注水用电占全油田总用电的比例与日俱增。因此，提高注水系统效率，节约注水用电已迫在眉睫。过去注水站建成投产后，由于注水量是随着开采 量变化而逐步增加的，量的匹配不是那么吻合。为此，只好采用打回流的办法来解决，这就造成了注水系统的不稳定性，使得注水站压力经常发生变化，极大地影响了注水站的效率。为此，注水站的注水压力，实现恒压注水，是提高系统效率、节约电能的重要措施之一。在没有实现变频调速时，为适应注水量的变 化，实现合理注水，需不断调整注水泵的运行方式。这样，只能通过调整开泵台数或人工调节阀Ｉ ｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ２００６ Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｉｓｓｕｅ １ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ州Ｄ；ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ计嘴瞥笨置２几应用 门开度来控制流量，必然造成注水系统的能耗增高。以交流变频调速器为启动及调速装置，以工业控 制ＰＬＣ为控制中心的变频调速装置面世后，开始应用于油田注水站，它采用国际最新技术对电机变频调速，实现恒压注水，降低能耗，从而有效地提高了注水站的系统效率。给注水泵机组加装变频调速装置，泵管压差的能 量损失就可以大大减小，甚至被消除；同时在变频调速装置的参与下，通过仿真优化，根据用能最优原则运行注水泵和调度注水管网的流量和压力，尽可能减少配水间及井口节流损失，从而使整个注水系统在高效区运行。这样客观上就实现了稳压注水，节能降耗，同时提高自动化管理水平，节约大量维修资金，势必对采油也起到积极作用。５在油品装车中的应用 我国某些油田，通过火车进行原油或成品油外运。油品装车时的管道压力是否平稳，对安全生产起着至关重要的作用。油库的传统装车工艺，一般采用降压方式将储罐 中的油品通过管道输送至装车栈桥，进行油品槽车的装车作业。装车作业分批进行，即每批打开一定数量的槽车鹤管，装满一节槽车后关闭阀门，再打开待装的槽车鹤管。在装车临近结束时，由于未装满槽车的数量逐步减少，汇管压力不断升高，因此必须采用回流卸压和停泵降量的方式进行末段装车作业。见图５０—传统工艺＿＿新增压力变送器变频器和信号线 装车汇管｝卸压管道储油碘｝ －ＰＬＣ － 压力变送器输油泵图５ 油库装车工艺流程简图 油库传统的装车方式存在以下弊端：（１）在装车过程中，由于装车数量逐步减少，装 车管道压力将逐步有所升高，再打开新的一节槽车鹤管阀门后，管道压力又将降低，于是产生了压力波动。当数节槽车同时装满切换时，压力波动现象尤为明显；工业计Ａ ２００６年增刊１ （２）在装车后期，未装槽车数量剩余不多，管道压力大增，甚至数倍于通常的工作压力，导致装车汇管憋压，影响灌输安全。由于汇管压力升高，鹤管受压相应增加，鹤管内油品流速增大，导致静电荷增加，不安全因素增加；（３）当装车临近结束时，使用停泵降量和回 流卸压方式来降低装车鹤管压力，不但使装车满载率难以掌握，而且必须安排专人控制回流卸压阀。根据变频调速原理，在装车管道上安装压力 变送器，检测管道压力，并将压力信号传送到ＰＬＣ中，由ＰＬＣ控制变频器的输出频率，控制电机转速，调节泵的流量达到保持压力稳定并节能降耗的目的。应用了变频调速技术后，在油库储运时间、 装车中管道压力、装车临近结束时管道压力和人员配置上有较大的变化，节能效果显著。以塔里木油田某装车站的统计数字为例：在应用变频调速技术前，采用两台软启动器带动机泵运行，装车中汇管最大压力为０．３５ＭＰａ，装车临近结束时汇管压力为０．６７ＭＰａ，平均装车时间为１５０ ｍｉｎ ，人员配置为７人，装车过程中必须用电话通知停泵，结束时需要开启卸压阀。应用变频调速技术后，装车中汇管最大压力为０．３ＭＰａ，装车临近结束时汇管压力仍保持在０．３ＭＰａ，平均装车时间为１３０ｍｉｎ，人员配置为６人，装车过程中自动停泵，结束时不用开启卸压阀。６结论 通过改变交流电电源的频率来改变电机的转速，这项先进的技术在油田中得到了充分的应用。可以用［编辑：邓茂焕〕 来改变注水泵流量、外输泵流量，控制外输缓冲罐液位，稳定装车汇管压力，证明是一项成熟而实用的技术，值得推广。
