變頻器與液體粘性調速離合器在油田注水泵節能上的相較探討

　　油田注水系統壓力高、水量大，注水電動機大多數是大功率電動機，但油田注水站的額定流量與實際流量常常不相匹配，從而導致電動機長期處于高耗能狀態。本文介紹了變頻系統的原理，對變頻系統與原有系統進行了比較。采用變頻控制方式后，不僅提高了注水系統的效率，節約了電能，而且延長了電動機的使用壽命，減少了維修工作量及成本。同時介紹了液體粘性調速離合器的原理和結構特點，提出了在大功率、高轉速條件下解決旋轉密封、合理潤滑和轉速控制的難題的方法。從而進行變頻器與液體粘性調速離合器在油田注水泵節能上的相較探討。

　　在我國油田注水是大多數油田實施高產、穩產的極其有效的措施。而油田注水由于壓力高、水量大，注水電動機大多是大功率電動機，電動機長期處于高耗能狀態運行，采用變頻調速裝置對油田注水泵用電動機進行變速調節，實現注水泵變水量控制是一項非常有效的節能措施。注水系統耗電量約占油田總用電量的33％～56％，損失主要是由注水站內的泵管壓差和注水管網的管阻、配水間及井口節流引起的。通過調速技術可以降低或消除泵管壓差，有利于調度優化整個注水系統。

　　一．變頻器的機構和原理

　　（一）變頻器的結構

　　變頻器實際上就是一個逆變器。它首先是將交流電變為直流電，然后用電子元件對直流電進行開關。變為交流電。一般功率較大的變頻器用可控硅，并設一個可調頻率的裝置，使頻率在一定范圍內可調。用來控制電機的轉數。使轉數在一定的范圍內可調，變頻器廣泛用于交流電機的調速中。變頻調速技術是現代電力傳動技術重要發展的方向，隨著電力電子技術的發展，交流變頻技術從理論到實際逐漸走向成熟。變頻器不僅調速平滑，范圍大，效率高，啟動電流小，運行平穩，而且節能效果明顯。

　　1整流電路

　　2平波電路

　　3控制電路

　　4逆變電路

　　（二）變頻器的系統原理

　　由于注水泵所需實際流量比泵的額定流量小，因此節電潛力較大。系統中注水泵的注水控制由變頻器通過油井壓力變送器的回饋壓力值，與事先預設在變頻器中的壓力值進行比較，變頻器中的PID調節器自動根據差值進行運算并調節控制變頻器的頻率，即變頻調速運行，同時，變頻器的運行參數通過內部計算機接口和通訊協議傳輸至計算機工作站，在計算機上可以隨時檢測和控制系統運行壓力、電動機轉速、輸入／輸出電壓、輸入／輸出電流等參數，達到系統自動節能運行的目的。變頻系統控制原理如圖1所示。

　　二．液體粘性調速離合器的主機結構和原理

　　（一）液體粘性調速離合器主機結構

　　主動軸的左端有外齒，與具有內齒的主動摩擦片聯接而同步旋轉，主動摩擦片通過油膜的剪切作用帶動具有外齒的被動摩擦片，進而帶動具有內齒的被動轂旋轉，被動轂通過被動盤帶動被動軸旋轉。

　　（二）液體粘性調速離合器工作原理

　　根據牛頓內摩擦定律，活塞左端受控制油壓力的作用克服彈簧力而右移，使主、被動摩擦片間的間隙減小，輸出轉速增大。當控制油壓力減小時活塞左移，間隙增大，輸出轉速減小。由于注水泵的轉速可在主電機起動后逐步增加，因而可以起到輕載起動的作用。潤滑油的作用是向摩擦片之間充分供油形成工作油膜，并將所生成的熱量帶走。控制油通過給油缸不同壓力實現注水泵的無級調速。

　　三．液體粘性調速離合器的關鍵技術

　　（一）旋轉密封

　　控制油進入到被動軸處有一個旋轉密封結構，線速度達24m/s，設計密封壓力2.0MPa。國內外在這里通常采用漲圈密封，漲圈材料一般采用Cu-Cr-Mo合金鑄鐵，表面進行錳磷鍍。但是實踐表明，在上述高線速度和高壓條件下，漲圈磨損很快，磨損面為漲圈的端面。改用TMC作為漲圈的材料后，壽命有所提高；最后采用充填聚四氟乙烯，并把一道漲圈密封的結構改為三道，漲圈上的通油槽面積由里向外依次減少，使三道漲圈平均承受油壓，取得了良好效果。

　　（二）摩擦片合理潤滑

　　在設計主動軸出油孔時，首先要保證所有摩擦片在分離狀態時都能得到潤滑油，其次，出油孔不能都一樣大，更不能把出油孔設計成出油槽，否則會造成前面的摩擦片得油多，后面得摩擦片得油少，造成部分摩擦片燒毀。

　　（三）轉速控制

　　國內外普遍采用電液比例技術來調節輸出轉速，但是電液比例溢流閥對潤滑油的清潔度要求很高，油中稍有臟物便易使之失靈。改進后的設計通過一個3kW變頻器來改變控制油泵的轉速，從而達到調節控制油壓力的目的，轉速調節的可靠性得到明顯提高。

　　四．變頻器和液體粘性調速離合器在油田注水泵利用中的優點

　　（一）變頻器在油田注水泵利用中的優點

　　采用變頻調速裝置對油田注水泵用電動機實行變速調節，使得注水泵在大流量、小流量、高壓力、低壓力中的任一工況下均可運行，可以用壓力閉環或流量閉環控制注水泵的壓力或流量，在注水站工況發生改變時，變頻器可以使注水泵自動調節注水壓力或流量。此時，泵的出口閥門全開，使泵的壓差減至零。這樣，既節約了電能，又減少了閥門的維護量，還提高了系統的自動化水平，降低了系統的噪音，改善了工作的環境，減輕了工人的勞動強度。通過采用變頻調速裝置獲得實際需要的注水流量及壓力，注水過程平穩，水泵的運行參數得以改善，系統效率大大提高，不但節約了電能(實踐證明可以節約20％～30％的用電量)，而且減少了注水泵的維修工作量及成本，同時油井產量也明顯提高。

　　（二）液體粘性調速離合器在油田注水泵利用中的優點

　　應用液體粘性調速離合器對油田注水泵進行調速具有以下特點：

　　1節能效果明顯，注水泵出口閘門可以完全打開，降低了注水泵的運行負荷。

　　2可以輕載啟動，減小了主電機啟動電流對電網的沖擊時間。

　　3相對于高壓變頻調速，對電網和環境無污染，成本低。

　　4可以實現無級調速，自動化程度高。

　　五．結論

　　變頻器的優點是改造時安裝、運行時切換比較方便，缺點是價格高，對電網有污染，高次諧波會對電機絕緣造成損害。但從效率上看，變頻在油田注水泵中的利用率不如液體粘性調速離合器在油田注水泵中的利用率高。