应用变频调速技术提高柱塞泵的运行效率_朱宜庚

应用变频调速技术 提高柱塞泵的运行效率

朱宜庚1,李茹2,朱宜辛3

(1.河南石油勘探局勘察设计研究院,河南南阳473132;

2.河南石油勘探局水电厂;

3.河南油田分公司开发事业部)

摘要:为提高油田注水系统中柱塞泵的运行效率,讨论了应用变频调速技术的节能效果;并对恒压变量与变压变量两种方式的节能效果进行了对比分析。关键词:柱塞泵;变频调速;恒压变量;变压变量

中图分类号:T H322 文献标识码:B 文章编号:1004-7948(2004)09-0048-02

注水系统作为油田地面工艺流程的组成部分,

具有节点多、能耗高等特点,提高注水系统运行效率、降低注水能耗,对于开发系统的经济运行具有重要意义。而在注水系统的各项能耗中,注水泵占有相当大的比重。鉴于此,我们以常用的柱塞式注水泵为例,就变频调速技术的节能效果展开初步的讨论。

1柱塞泵的工作原理及特点

柱塞泵又称往复泵,它主要是依靠泵缸内作往复运动的柱塞来改变工作室的容积,从而达到吸入和排出液体的目的。它依靠往复运动的柱塞,将机械能以静压形式直接传递给液体,泵体内的水力损失较小。它的突出优点是注水压力高、泵效高,因此,近年来在国内油田中得到了日益广泛的应用。但需要指出的是,在一定的转速和往复次数下,柱塞泵的流量几乎不随压力的改变而改变,而注水系统的实际注入量则因各种原因不断发生变化,这样就会经常因为泵的流量高于实际注水量,使管网中出现压力过高的现象。由此造成的弊端有三:一是易引起爆管事故,不利于安全运行;二是管网压力越高,表明水泵所做的无用功也越多,即泵效越低;三是泵的流量高于实际用水量越多,表明必需在注水管网上采取更多的节流调控措施,而由节流造成的水力损失则直接影响到管网效率的提高。

可以通过图1对系统的能量消耗情况作进一步的说明:

图中Q -H 代表柱塞泵的特性曲线,因柱塞泵的流量几乎不随压力而改变,因此Q -H 为一条垂直于横轴的近似直线。Q -?h 为注水管线的特性曲线,表示管路系统所需压力与注水量之间的变化

关系。

图1 柱塞泵特性曲线与管路特性曲线

假定开始时系统所需注水量为Q 1,对应的水泵工况点为A 点,柱塞泵正好满足系统的需要。当需水量减少为Q 2时,由图1可知,系统所需工作点应在B 点,但实际上,在一定的转速下,柱塞泵的流量将保持Q 1不变。这样,管网中将出现ΔQ 的富裕流量,同时管网压力也升高,造成的能量浪费可近似地用图中ABC 区域的面积来表示,在此情况下,管网运行的安全程度也将降低。为了解决柱塞泵的这种供、需矛盾,以往通常的做法是在泵的出口设回流管线使多余的水回流。这样做实际上造成了部分水在系统中的无效循环,可以通过下面的示意图对回流水的能耗情况作一分析:

由图可知,水泵的输出总功率P 2包括有效的水力能P 3和因回流而形成的损耗P 4两部分,P 4与回流水量及注水泵进、出口压差的乘积成正比。很显然,这种无效循环的水量越高,水泵所做的无用功越多,相应的,泵效也就越低。因此,为提高注水

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泵效率,需采取有效措施,调整水泵运行工况,使供、需之间尽可能保持一致,使系统少回流甚至不回流,从而使泵在较高的效率下运行。

2变频调速技术的节能效果分析

由以上的分析可知,通过在泵出口打回流的方式来解决供、需矛盾是不科学的。因此,为提高泵的运行效率,需根据实际情况对水泵的工作流量进行必要的调整。

根据柱塞泵流量公式

Q =FSn =i ×(πd 2/4)×S ×n 式中 i —柱塞数;

F —柱塞截面积;

n —柱塞每分钟往复次数;

S —冲程。

可知,改变柱塞泵流量的方式有二:一是改变柱塞直径;二是改变柱塞往复次数,即电机的转速。第一种方式,经常改变柱塞直径是不现实的。采用第二种方式则具有更强的科学性和可操作性。即根据变频调速原理,预先在泵出口设定一个恒定不变的压力值H 1(H 1为注水量最大时的压力值),通过调整水泵的运行工况,实现恒压变量注水。

可以通过图2对水泵的调整过程说明如下:

假定系统需水量为Q 1,当水泵流量Q 2高于Q 1时,管网压力升高,水泵工况点为A 点。而系统所需的工况点为C 点,由图2知,A 点能耗远大于C 点所需。此时调低转速,以降低流量和管网压力,使压力H 1保持不变,此时,水泵的特性曲线将移到Q ′-H ′,相应地,系统的工况点变为B 点,很显然,B 点更接近于系统所需的流量和扬程,能量消耗低于A 点

图2 柱塞泵工况调整过程示意图

因此,通过对注水泵实施变频调速操作,可以使运行工况尽可能与管网的运行实际相接近,从而在较高的效率下运行。

3实施效果及存在的问题

在理论分析的基础上,我们对河南井楼油田注水系统的2台柱塞式注水泵实施了变频调速控制。在此之前,2台泵的运行效率分别为45.44%和

40.8%,实施变频调速后,效率分别提高到74.87%和65.07%,节能效果显著。实际上,以上的变频操作采用的是恒压变量的控制方式,由图2及以上的讨论已知,当系统所需工况点为C 点,在恒压变量的变频操作下,水泵工况点由A 点变为B 点,虽然能耗有所降低,但B 点较C 点仍有一定的能量富裕,因此,它的节能效果并不是最理想的。

我们知道,注水泵的最终目的是要满足注水井口的压力需要。而对于恒压变量控制方式而言,是将注水泵的出口作为压力控制点,并设定为恒定值。这一压力值必须满足最大用水量时的注水需要,因此,这一数值是偏高的。

下面,以管网的压力损失计算公式为依据,对恒压变量方式的节能效果进行讨论。

设井口所需压力值为H M ,管路沿程损失为H f ,注水泵出口压力为H A 。则有如下的关系式:

H M =H A -H f =H A -(H ST +SQ 2)式中 H ST —水泵至注水井口间的静扬程;

S —管网阻力系数;

Q —管网流量。

由上式可知,假如在注水量较大时注水泵的出口压力能够保证井口注水需要的话,那么在注水量下降时,管网沿程损失也随之下降,而此时泵出口的压力仍保持不变,这样,井口势必出现压力过剩的现象。由此可见,恒压变量方式不是最经济、最合理的,在节能降耗的程度上还有潜力可挖。也就是说,供水主管线上的初始压力没必要总保持数值偏高的恒定值,随着用水量的变化,这一压力也应是变化的。为此,可以采用变压变量的调整方式。即,将上式变形得:H A =H M +H ST +SQ 2

以井口所需压力H M 为基础,同时结合管网中流量的变化情况,计算注水泵出口所需的实际压力值,并据此调整注水泵的转速,使供、需之间保持平衡,避免能量浪费的现象,显然,与恒压变量方式相比,变压变量方式更科学、合理,节能效果更好。

作者简介:朱宜庚(1972-),男,河南南阳人,工程师,学士学

位,从事给排水设计工作。(收稿日期:2004-05-13)

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