螺杆泵变频运行模式探究

杨云鹏,杨恒远,程旭明,顿昊龙

中国石油长庆油田苏里格南作业分公司（陕西 西安710018）

交流变频调速由于其优越的调速控制性能和节能效果，以及日益成熟的技术，得到广泛的应用。在苏南集气站，螺杆泵作为承载全密闭管道输送采出水的高效设备，保障其运行的稳定性尤为重要。螺杆泵在工频运行启动时，转速瞬间提高，其扭矩往往是稳定运行时扭矩的很多倍。由于生产工况的差异，在采出水黏度过高的情况下，启动扭矩将会变得更大[1-3]。工频启动，转子承受的扭矩大于其额定扭矩，容易使转子断裂；闪蒸罐进液量的不固定性，使螺杆泵在工频运行下会快速地将采出水输送完，设备磨损程度大大增加。因此，变频器的加入，改变了螺杆泵的启动方式及运行转速，调节采出水输送排量，使设备在适合实际工况的状态下运行，保证了螺杆泵长期使用的稳定性，极大地改善了螺杆泵的使用寿命，实现了较大的节能作用。

1 螺杆泵的工作原理与特点

1.1 螺杆泵的工作原理

螺杆泵是按照回转啮合容积式原理进行工作的转子式容积泵。它是通过螺杆与衬套之间相互啮合从而在吸入腔和排出腔产生容积的变化以输送液体（图1）。转子是一个单头螺杆，定子是一个有双倍转子螺距的双头螺套；定转子之间过盈配合（压缩）形成了空腔的密封空间，当转子在定子中旋转时，被输送的介质从空腔的进口不断地被移动到出口，继而产生连续的输送。定子的横截面会产生一条作用于密封的线。这条线把定子的内部空间均分成两部分，由于这两部分只有形状和位置的变化而没有容积的变化，因此它们在输送介质时流量相同。此外，这条线还把吸入和压力面分开，为了保证这种分离不会中断，必须随时有一条“密封的线”，从而使得压力面在打开时，吸入面必须已经开始了一个新的循环。

螺杆泵输送高黏度的流体、含有硬质悬浮颗粒的介质或含有纤维的介质，相比一般泵种效率较高。其设计结构紧凑，体积小，维修简单，便于拆装。

图1 螺杆泵工作原理示意图

1.2 螺杆泵的特点

螺杆泵（图2）相比其他泵种有以下几个优点:

1）相比离心泵，螺杆泵无需安装进口及压力端的阀门，流量是稳定的线性流动[4]。

2）相比柱塞泵，螺杆泵具有自吸功能，吸力高度可达到8.5 m。

3）相比隔膜泵，螺杆泵可输送各种混合杂质，如含气体、固体颗粒或纤维的介质，也可输送腐蚀性的介质。

4）相比齿轮泵，螺杆泵可输送高黏度的介质。

5）相比柱塞泵、隔膜泵及齿轮泵，螺杆泵可以用作药剂的填充和计量。

图2 单螺杆泵

2 变频器的功能与作用

2.1 变频器的功能

1）静态无功补偿功能。在电动机变频运转过程中，如果出现停电或瞬间低电压时，电动机会因欠压发生跳闸，无法继续运转。静态无功补偿，可以维持平滑的电网电压特性，避免了产生无功功率罚款，进—步延长了电动机的持续运转时间。静态无功补偿功能，就是在输入电压下降，跳闸之前减少了变频器的输出频率，由变频器吸收掉电动机产生的再生能量，从而使运转时间持续得更长[5]。

2）PID 控制功能。PID 控制器由比例单元（P）、积分单元（I）、微分单元（D）所组成。它将模拟信号作为反馈信号输入变频器内，通过调节，使负载端的动作能跟进指令值。当负载端的负载发生变化导致电机转速下降而影响其正常运作时，利用速度传感器获取的模拟反馈信号，通过闭环进行PID 控制，这样即便负载发生变化也能够随时读取指令值，保证电机运转的稳定性。

3）无冲击启动功能。当被控电机在停机状态下突然启动，可能会因为出现过大的电流而引起跳闸。变频启动是软启动功能，它能通过改变电动机的频率使其启动转速改变，降低了启动过程的瞬间电压，从而达到被控制电机的无冲击启动。螺杆泵作为重要动态设备，软启动功能的实现，减轻了转子的应力损伤，降低其发生断裂的概率。

2.2 变频器的作用

变频器是通过改变交流电机供电的频率和幅值，从而改变其运动磁场的周期，以达到平滑控制电动机转速的目的。由于电动机在静态下的启动是一个快速的过程，启动瞬间对机械的负载形成较大的冲击，大大地缩短机械传动部分的使用寿命。变频器把工频电源（50 Hz 或60 Hz）转变成各种不同频率的交流电源，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再变成交流电。变频器使复杂的调速控制简单化，用变频器＋变频异步电动机组合即可代替大部分只能用直流电机完成的工作，并且提高设备运行寿命，降低了维修率。在螺杆泵的运用中，使用变频器后，可自由调节电动机的转速，螺杆泵运转的速度下降，平均转矩减小，极大程度地减小了转子的磨损，使螺杆泵的工作寿命延长。由于采用变频调节对螺杆泵进行软启软停，减少了启动过程中的冲击，延长了螺杆泵的保养维护周期。变频后泵在较低转速下运行，定转子的磨损程度相应减少。变频器不仅大大延长了万向节、机械密封、定转子等易损件的寿命，还降低了运行时的噪音。

3 螺杆泵变频调速的应用

1）以 C1 站为例，1#螺杆泵在运行到 8 479 h 发生了转子断裂，2#泵在运行到7 547 h发生了转子断裂，运行状况都是螺杆泵在工频启动状态下运行。由于工频启停运转，定转子都承受了高扭矩力的冲击，加之长时间的工频运转，转子在高速运转过程中受到的磨损增大导致断裂。在变频器加入后，使用软启停功能，通过变频调速，螺杆泵延长了转子的使用时间。1#泵在运行至22 466 h因转子磨损泵效下降再次更换定转子，此时距第一次更换后已运行13 987 h，变频调速运行后，定转子的使用时间较之前提高了65%（表1）。

2）变频调速，可对外输流量进行控制，减少了频繁启停泵的次数，且降低了泵的转速。在液量可控的条件下，可同时协调好3 座集气站的排液工况（表2）。其中C1 站2#井泵运转24 h,累计液量50.01 m3，C3站1#井泵运转 7.18 h,累计液量43.89 m3。

3）以C1站为例，已在站控系统上添加了连锁液位的调频变化，设置液位为600 mm，低于600 mm 螺杆泵频率调至35 Hz，高于600 mm 螺杆泵频率调至50 Hz；C1 站双泵同时运转频率在50 Hz 时排量8.0～9.5 m3/h，频率在 35 Hz 时排量 5.0～6.0 m3/h（表 3）。闪蒸罐液位与螺杆泵变频器连锁工作，减轻了人工对螺杆泵排液的操控，在集气站液量平稳运行时，可由变频器自动根据液位波动变化进行调节排液。

表1 C1站螺杆泵运转数据表

表2 C1站/C3站螺杆泵排液数据统计表

表3 C1站/C3站螺杆泵频率及排量变化统计表

4 结束语

变频器因其自身的优势，在螺杆泵运行过程中得到了有效应用。螺杆泵是变频器应用体现的重要形式。根据变频器在螺杆泵中的使用情况进行分析，通过对螺杆泵转子转速的变频调速，实现了对螺杆泵转速的良好控制，使螺杆泵的转速能根据集气站采出水量以及泵的工况进行实时调节，从而有效地提升了螺杆泵运行的稳定性与安全性。