石油管道中变频调速技术的应用

近年来,变频调速技术凭借着性能安全、节能显着等特点,在油田企业中已经得到了广泛应用。文章简要介绍了变频调速技术的基本工作原理,介绍了输油泵变频调速技术的特点,以实例对比分析了该技术的应用效果。

在输油站的建设过程中,其规模的设计是以10年预测的最大产液量来进行设计的。因此,在投产的初期和中期,其输送量基本上无法满足设计的要求,为了保证能够正常平稳地进行生产,通常会通过使用调节泵出口阀门来进行控制,但是因此而产生的泵管压差会比较大,一般会损失掉能量的30%- 40%。通过采用变频调速技术,则可以有效地解决上述能耗问题,可以起到节能和提高工作效率的作用,同时,变频调速技术还可以大大减轻人工操作的负担和强度,并延长油田设施的使用寿命。

一、变频调速技术的工作原理

以日本富士公司所生产的变频器为例,变频器主要是通过高压大容量电容和整流模块将工频电源转换为直流电,直流电又被大功率晶体管转换为频率可随意调节的交流电进行输出。在三相交流异步电动机中,如果在转差率S保持稳定的情况下,电源频率f1是与轴转速N2成正比关系的,其关系可以表示为:
N2=60f1/P(1—S)=N1-△N

变频器通过对频率f1进行调节,使电动机磁场转速N1发生改变,导致轴功率N2 也发生改变,最终实现调速的目的。

因此,变频调速技术的基本工作原理就是,信号变送器和液位控制器对缓冲罐里的液位信息进行接收和比较后,将信息发送给变频器,变频器在对这些信息数据进行一系列的处理后,进而对输出端三相交流电的频率进行调节,使电动机的转速发生改变,最终实现对输油泵排量进行控制,保证系统正常平稳生产的目的。

二、变频调速技术在输油泵机组中的应用

变频调速技术在输油泵机组中的应用,是通过对输入电动机的电源频率进行改变,从而实现改变电动机组转速的一项节能技术。其具有以下几个特点。

1.当变频器连接到输油泵机组后,电动机的动力会与转速的三次方形成正比关系,如果将电机的转速降低,则其耗电量将以三次方的关系发生减少。假设当泵机的转速下降为20%时,那么,节能即为( 1- 20%)3=51.2 % ,可以节能一般以上。所以,如果在输油机组的运行转速不需要一定为额定转速时,就可以通过使用变频调速技术实现对电能的节省。通过采用这项技术,还可以有效减少水击压力,可以对输油管线内压力状况进行随机控制,起到延长管线设备使用寿命的作用。

2.当变频器处于低频时,电动机则会产生比较高的启动转矩,其启动转矩最高时可以达到额定启动转矩的150%,而其启动电流则是额定电流的1~ 1.2 倍,而使用普通的交流电机所需要的启动电流是额定电流的4~7倍,相比较而言,变频调速对电网的冲击会小得多。同样,该技术的启动损耗是直接启动时损耗的1%,不会使电动机组发生过热现象。此外,使用该技术,可以有效降低电机的制动损耗。

3.在大落差或者是一泵输多罐的输油系统中,通过使用变频调速技术,可以对输油系统内的压力和流量状况进行实时调节和补偿,与传统的回流控制技术相比,使用该技术不仅降低了能耗,而避免了由于能量损耗引起的管路水击现象。

三、变频调速技术效果分析

在采油厂的联合站和中转站的输油泵上安装变频调速装置,通过对安装前后的测试数据进行分析和对比,可知:在安装变频器前,泵的出口压力为1.16MPa,管线的压力为0.74MPa,可以看出,其处于节流状态。其管网效率为 63.2%,输液用电单耗为0.428kW·h/m3,系统效率为41.8%。而在安装了变频器后,泵的出口压力为0.51MPa,管线压力为0.45MPa,看不出有节流现场存在。管网效率为0.193 kW·h/m3,输液用电单耗降低了0.224kW/h,系统的效率为58.5%,提高了16.7%。通过数据对比,可以发现在采用了变频调速技术后,设备运行的工况得到了非常明显的改善。但是,上述测试情况并不代表所有的输油泵在安装了变频器后都会产生相同的节能效果,其节能效果与泵的负荷率存在关系,即,当负荷率较低、波动较大时,其节能效果比较好。

使用变频调速技术还可以对输油泵的运行方式进行改变。比如,某中转站有三台输油泵,其额定功率都为2424m3/d,但是,该中转站在工作中需要的实际排量为2900~3200m3/d。在这种情况下,运转一台输油泵将输不完,运转两台又不够输,导致输油泵长期低效运行。在安装了变频器后,就可以将一台输油泵长期运行,将另一台输油泵作为补充使用,自动根据负荷的变化而做出调节。但是,在安装变频器后发现,泵效比原先降低。经过分析,可能有两种原因,一种是由于无阀门节流泵的进出口压差变小,采用原方法对泵效进行计算时,结果数值会变小;另一种原因可能是由于负荷率发生降低,在节流消除后,导致输油泵处于低效区运行。针对这一问题,以后可以适当放宽调速运行的泵效考核指标。此外,通过变频器的软启动和无极调速作用,可以大大降低对电网的冲击,使电器装置的使用寿命得到延长。

四、使用变频调速技术应注意的问题

在生产波动比较大的输油系统中使用变频调速技术,可以使输油泵的运行更加经济合理,有效提高输油系统的效率,因此在这种输油系统中使用变频调速技术不仅降低能耗,也有利于生产的安全与稳定。但是,对于工况相对稳定、负荷率比较低的系统,不必一定安装变频调速装置,可以通过使用车削叶轮和拆级运行等方式对系统进行改造。还要注意,如果系统的负荷率长期高于95%,此时,变频调速技术将很无法发挥出其效果,甚至会产生更多的能耗,而且,满负荷的工作会加快变频器部件的老化速度,因此在这种情况下应当退出变频调速装置。此外,在进行变频调速技术推广时,一定要做好效果预测工作,配置好生产参数,因为同一套变频调速装置在不同的系统中产生的效果差异会很大。

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