柱塞泵变极调速代替变频调速可行性分析

柱塞泵变极调速代替变频调速可行性分析

杨致诚

杨致诚

大庆油田海拉尔石油勘探开发指挥部乌东作业区

摘要：在油田注水过程中，注水泵为满足水量要求，通常采用离心泵节流、柱塞泵打回流的方式来调节配注量，造成了很大的电能浪费，目前普遍采用电机变频调速的方法解决问题。针对柱塞泵特点，提出了组合变极调速的新方法。该方法既可满足注水压力和水量需求，避免变频调速中变频器谐波对电网造成的污染，同时也可达到节能降耗的目的。

关键词：变频调速；柱塞泵；变级调速；谐波；节能降耗

1、概述

1.1变频调速原理

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。水泵类负载是根据满负荷工作需用量来选型，实际应用中大部分时间并非工作于满负荷状态。水泵类负载变频的节电原理就是用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量。

1.2柱塞泵特性

柱塞泵的出口压力高，泵效高，可达85%以上，缺点是流量较小，适用于注水压力高，对流量需求不是很大的场合。

柱塞泵的流量与扬程无关，当柱塞泵每分钟往复次数一定时，流量也一定。因此，在同一管路中，某一柱塞泵无论是变频调速还是其他调速方式，相同的转速下，流量一样，对扬程也相同。按照功率公式P=QρgH可知，相同转速下消耗功率不变，其他调速方式可以达到与变频器相近的节能效果。

吸入时，活塞自左向右移动时，工作室的容积增大形成低压，吸入阀打开，使液体进入泵缸内，排出阀因受排出管内液体压力而关闭。活塞移至右端点时即完成吸入行程。排出时，当活塞自右向左移动时泵缸内液体受到挤压使其压力增高，从而推开排出阀排出液体，吸入阀同时关闭，活塞移至左端点时排液结束，完成了一个工作循环。活塞如此往复运动，液体不断地被吸入泵缸和排出管路，达到输液的目的。

2、注水系统现状和存在问题

2.1运行现状

在油田生产过程中注水系统是油田地面系统的用电大户，约占总耗电的18.5%。由于注水泵的实际运行参数和设计参数之间一般都有较大的差距，从而使系统的运行效率降低，现柱塞泵全部采用变频控制。

2.2存在的主要问题

（1）变频器输出的电流或电压的波形是非正弦波而产生的高次谐波，会对电动机及电源产生许多不良影响，同时变频器本身存在约5%的电能损耗。

（2）缺乏对系统运行优化的研究，节能工作应从采用单项措施解决单一设备问题，向研究和采用综合节能技术发展。

（3）变频器调频范围在30-50HZ，频率与转速成正比，因此变频调速范围大约在60%-100%。调频范围较小。

对于油田一个区块来说，地层压力和注水量处于不断变化之中，注水量也不稳定，注水泵调速研究是非常必要的。

3、注塞泵电机变极调速设计思路

在油田注水生产中，注水站主干线出口压力只要满足一定的压力范围就可以。因此，可以用变极调速代替变频调速。这样能够较大地降低成本，又达到了节能的目的。

3.1电机变极调速原理

柱塞泵大多采用变频调速，电机变级调速在抽采油电机应用较多。主要是通过改变电机定子绕组接线方式，从而改变定子绕组产生旋转磁场的磁极对数，进而改变转速。

电机的转速公式为：

n=60f/p

式中：f—电源频率，Hz；

p—磁极对数。

公式表明，通过改变定子绕组产生旋转磁场的磁极对数（p=1、2、3...），在工频电网（f=50Hz）时，可得到3000r/min、1500r/min、1000r/min等不同的转速，这种方法即为变极调速。由公式可看出，三速电机调速范围已可达到33%-100%。由于磁极对数p只能是正整数，所以不能平滑调速，只能有级调速。

3.2柱塞泵变极调速电机的设计思路

一座注配间一般都有2～5台或者更多的柱塞泵，目前乌东作业区19台注水泵电机转速约为1500r/min，按照转速公式n=60f/p可知电机磁极对数为2.对于有2台泵的注配间，若将2台电机全部更换为三速（磁极对数为2/3/4）电机，在注水过程中可以根据压力进行组合补偿调速。这样从低向高一共有6种组合调速方式。每一种组合方式，都有一种功率与之对应，每级调速功率和流量改变13.2%。若电机为四速电机，则流量改变更精确。

表1不同组合方式消耗功率情况

组合方式1#高+2#高1#高+2#中1#高+2#低1#中+2#中1#中+2#低1#低+2#低

实际消耗功率P/工频消耗功率（%）99.386.172.959.746.533.3

3.3两种调速方式对比

（1）节能方面

由于同一柱塞泵相同转速下，排量和功率相同，因此机泵组耗能基本相同。但由于变频器本身有5-7%的功率损耗，而变级调速不能平滑调速，有6.6%的变量，因此两者能耗基本相同。

（2）成本方面

安装1台（30KW）变频器（一拖二），配套变频柜、电力电缆等，成本大约10万元，每台变级调速电机成本大约2万元（含控制装置），可节约成本6万元。若为新投注水站则只需将普通电机（1万元）调整为变级电机，可节约成本8万元左右。

（3）操作管理方面

可靠性较高，没有较复杂的调速设备，维护方便。

（4）调速方面

以三速电机为例，调速范围为33%-100%，比变频器高27%，不能平滑调速。

（5）电力系统影响方面

变级调速对电网不会产生不良影响，变频器会产生高次谐波，这对电网是一种污染。

4、结论

（1）对于新建注水泵站，只需要将其中的两台电机采用变极调速电机，电机及其控制部分成本增加很少。对于老注水泵站，只需要更换（或改造）两台变极调速电机，增加相应的控制部分。

（2）多井多泵组合变极调速方法，在平滑性方面不如变频调速，但是在可靠性、实用性和成本上都优于变频调速。在大多数情况下，该方法既满足了注水压力（或配注量）的要求，又达到了节能降耗的目的。

参考文献：

[1]化工部化工设备设计技术中心站机泵技术委员会.工业泵选用手册.北京：化学工业出版社，1998

[2]林瑞光等.电机与拖动基础.杭州：浙江大学出版社，2002

[3]中国石油天然气总公司装备局编.变频调速应用技术.北京：石油工业出版社，1992