输油泵变频工况研究分析

王婷郭鹏耿永峰朱荣乾

1 输油泵变频节能

变频器的作用是改变交流电动机供电的频率和幅值，从而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。

1.1 输油泵变频调速的基本原理

输油泵变频调速的理论根据是交流电动机工作原理中的转速关系[1]：

式中：

n——电动机转速，r/min；

f——输油泵电动机的电源频率,Hz;

p——电动机的磁极对数;

s——转差率。

由此可知，均匀改变电动机定子绕组的电源频率 f，就可以平滑地改变电动机的同步转速。电动机转速降低，轴功率就相应降低，电动机输入功率也随之降低，从而实现输油泵的变频调速。

1.2 输油泵变频调速运行的节能原理

离心泵的特性曲线表明，其工况调节主要是调节流量，而调节流量最主要的方法有2种：通过泵出口阀的开度进行调节；通过改变离心泵的转速进行调节。前者虽然调节方便,但闸阀作为一个阻力元件，会产生很大的节流损失。通过变频改变电动机的转速来实现输油泵的工况调节，是满足工艺运行条件，保证泵能高效、节能、平稳运行的技术途径。

在管路特性曲线不变的情况下，改变离心泵转速后，其性能参数的改变由下式[1]确定：

式中：

Q、H、N——离心泵转速为n时的流量、扬程和功率；

Q1、H1、N1——离心泵转速改变为n1时的流量、扬程和功率。

离心泵的特性曲线是用来表示离心泵的主要参数之间关系的曲线，一般用流量作横坐标，其他参数作纵坐标来表示（图1）。当离心泵转速为n1时，扬程流量曲线为H-Q(n1)，效率曲线为ηn1，A1点为额定工况点，Q1为额定流量，H1为额定扬程，此时泵在高效区运行，效率为η1。运行中要减少流量到Q2，有2种实现方式：一种是节流调节，A3点为新的工况点，Q2为对应流量，H3为对应扬程，效率为η3，此时泵运行偏离了高效区；另一种是调速调节，泵转速由n1变为n2，泵的H-Q（n1）曲线变为H-Q（n2）曲线，效率曲线为ηn2，A2点为调速后新的工况点，Q2为对应流量，H2为对应扬程，效率为η2。根据叶片式水里机械的相似理论有η2=η1，因此泵仍然在高效区运行。

图1 离心泵调节特性曲线[2]

2 输油泵变频工况测试分析

选鲁克沁采油厂输油泵为测试对象。它的型号为HDK70-100×8多级离心泵，额定流量为70m3/h，额定扬程为800m，额定轴功率为289kW，生产厂家是杭州大路实业有限公司，出厂日期2010年6月。电动机型号为YB2-400S-2，额定功率355 kW，额定电流609A，额定电压380V，额定转速2988r/min，生产厂家是佳木斯电机厂，出厂日期2010年2月。所选的变频器是爱默生EV2000。

测试过程：使用3169钳位功率计在变电柜上进行夹电测试，选用三相四线制。用9661型钳位传感器夹住导线，夹子上箭头指示的方向为电流流向；电压线夹在源位端的金属部位，如螺母或母线上（图2）。

图2 连接电路示意图

由此测出负载的一次端、二次端、三次端的电压、电流、有功功率、无功功率、视载及功率因数。由于受现场工况条件的限制，现将所测的6个点转速的平均值加以归纳（表1），并在各转速下测得泵的进出口压力及泵流量（表2）。

表1 6个点转速的平均值

表2 各转速下泵的进出口压力及泵流量

根据以上数据计算扬程、泵轴功率和泵的运行效率。

2.1 计算扬程

根据公式[3]：

式中：

H——扬程，m；

P1——泵出口压力，MPa；

P2——泵进口压力，MPa；

ρ——原油密度，0.89t/m3；

g——重力加速度，9.81m/s2。

得出各转速下扬程为：

2.2 计算泵轴功率

根据P=3UIcosφ[1]得出电动机输入功率， U为电压；I为电流；cosφ为功率因数。

根据

根据Pa=P×η[4]得泵的轴功率

以此类推，得

2.3 计算泵的运行效率

根据Pu=ρQgH×10-3[5]得出泵的输出功率

以此类推，得

2.4 转速与流量、转速与泵运行效率之间的关系

由于现场工况的限制，只做了上述6个点，运用MATLAB软件对其进行图形拟合，可知流量随转速的增加而增加，但当转速为2732r/min时，流量达到最大值为70m3/h，即为实际工作状态的最好工况，但当超过最好工况点时，因为供液量不足流量会有所下降，而正当这一点时泵的运行效率达到最大值，过了这一工况点泵的运行效率下降。

3 结论

根据以上测试和计算的结果可知：流量随转速的增加而增加，当转速增加到一定程度时流量达到最大值，即当转速为2732r/min时，流量将达到额定值70m3/h，而过了这个转速点由于供液量的不足会使流量下降，而泵的运行效率在流量最大点时为效率最高点，过了这个转速点效率则下降。在实际的生产运行状态中因为产量会随时波动，它不会固定到某个转速点上持续为流量最大点和效率最高点，在供液许可的情况下，建议在2732～2797r/min转速区间运行，运用变频调速的原理使泵在高效区运行，从而达到节能降耗的目的。

[1]张国权,吴显洪.输油泵变频节能分析与运用[J].油气储运,2008,27（3）：53-54.

[2]杨艳平,杨学武,丁小红,等.变频调速技术在转油站的实践与认识[J].石油石化节能,2010（2）：49.

[3]冯海东.输油系统机泵效率测试的误差分析[J].油气储运,1996,15（7）.

[4]胡富强.泵效测试仪测试方法分析[J].黑龙江自动化技术与应用,1992（2）：43.

[5]孙邈,王岳,曲道天,等.输油泵变频节能工艺技术研究[J].石油与石化设备,2010,13.