變頻器與液體粘性調(diào)速離合器在油田注水泵節(jié)能上的相較探討
油田注水系統(tǒng)壓力高、水量大，注水電動(dòng)機(jī)大多數(shù)是大功率電動(dòng)機(jī)，但油田注水站的額定流量與實(shí)際流量常常不相匹配，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)長期處于高耗能狀態(tài)。本文介紹了變頻系統(tǒng)的原理，對(duì)變頻系統(tǒng)與原有系統(tǒng)進(jìn)行了比較。采用變頻控制方式后，不僅提高了注水系統(tǒng)的效率，節(jié)約了電能，而且延長了電動(dòng)機(jī)的使用壽命，減少了維修工作量及成本。同時(shí)介紹了液體粘性調(diào)速離合器的原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了在大功率、高轉(zhuǎn)速條件下解決旋轉(zhuǎn)密封、合理潤滑和轉(zhuǎn)速控制的難題的方法。從而進(jìn)行變頻器與液體粘性調(diào)速離合器在油田注水泵節(jié)能上的相較探討。
在我國油田注水是大多數(shù)油田實(shí)施高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)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(dòng)機(jī)大多是大功率電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)長期處于高耗能狀態(tài)運(yùn)行，采用變頻調(diào)速裝置對(duì)油田注水泵用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變速調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)注水泵變水量控制是一項(xiàng)非常有效的節(jié)能措施。注水系統(tǒng)耗電量約占油田總用電量的33％～56％，損失主要是由注水站內(nèi)的泵管壓差和注水管網(wǎng)的管阻、配水間及井口節(jié)流引起的。通過調(diào)速技術(shù)可以降低或消除泵管壓差，有利于調(diào)度優(yōu)化整個(gè)注水系統(tǒng)。
一．變頻器的機(jī)構(gòu)和原理
（一）變頻器的結(jié)構(gòu)
變頻器實(shí)際上就是一個(gè)逆變器。它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟姡缓笥秒娮釉?duì)直流電進(jìn)行開關(guān)。變?yōu)榻涣麟姟Ｒ话愎β瘦^大的變頻器用可控硅，并設(shè)一個(gè)可調(diào)頻率的裝置，使頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)。用來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)。使轉(zhuǎn)數(shù)在一定的范圍內(nèi)可調(diào)，變頻器廣泛用于交流電機(jī)的調(diào)速中。變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)重要發(fā)展的方向，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)從理論到實(shí)際逐漸走向成熟。變頻器不僅調(diào)速平滑，范圍大，效率高，啟動(dòng)電流小，運(yùn)行平穩(wěn)，而且節(jié)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(tǒng)原理
由于注水泵所需實(shí)際流量比泵的額定流量小，因此節(jié)電潛力較大。系統(tǒng)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(yù)設(shè)在變頻器中的壓力值進(jìn)行比較，變頻器中的PID調(diào)節(jié)器自動(dòng)根據(jù)差值進(jìn)行運(yùn)算并調(diào)節(jié)控制變頻器的頻率，即變頻調(diào)速運(yùn)行，同時(shí)，變頻器的運(yùn)行參數(shù)通過內(nèi)部計(jì)算機(jī)接口和通訊協(xié)議傳輸至計(jì)算機(jī)工作站，在計(jì)算機(jī)上可以隨時(shí)檢測(cè)和控制系統(tǒng)運(yùn)行壓力、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、輸入／輸出電壓、輸入／輸出電流等參數(shù)，達(dá)到系統(tǒng)自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行的目的。變頻系統(tǒng)控制原理如圖1所示。
二．液體粘性調(diào)速離合器的主機(jī)結(jié)構(gòu)和原理
（一）液體粘性調(diào)速離合器主機(jī)結(jié)構(gòu)
主動(dòng)軸的左端有外齒，與具有內(nèi)齒的主動(dòng)摩擦片聯(lián)接而同步旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)摩擦片通過油膜的剪切作用帶動(dòng)具有外齒的被動(dòng)摩擦片，進(jìn)而帶動(dòng)具有內(nèi)齒的被動(dòng)轂旋轉(zhuǎn)，被動(dòng)轂通過被動(dòng)盤帶動(dòng)被動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)。
（二）液體粘性調(diào)速離合器工作原理
根據(jù)牛頓內(nèi)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(dòng)摩擦片間的間隙減小，輸出轉(zhuǎn)速增大。當(dāng)控制油壓力減小時(shí)活塞左移，間隙增大，輸出轉(zhuǎn)速減小。由于注水泵的轉(zhuǎn)速可在主電機(jī)起動(dòng)后逐步增加，因而可以起到輕載起動(dòng)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(shí)現(xiàn)注水泵的無級(jí)調(diào)速。
三．液體粘性調(diào)速離合器的關(guān)鍵技術(shù)
（一）旋轉(zhuǎn)密封
控制油進(jìn)入到被動(dòng)軸處有一個(gè)旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)，線速度達(dá)24m/s，設(shè)計(jì)密封壓力2.0MPa。國內(nèi)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(jìn)行錳磷鍍。但是實(shí)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)主動(dòng)軸出油孔時(shí)，首先要保證所有摩擦片在分離狀態(tài)時(shí)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(shè)計(jì)成出油槽，否則會(huì)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(zhuǎn)速控制
國內(nèi)外普遍采用電液比例技術(shù)來調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速，但是電液比例溢流閥對(duì)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(jìn)后的設(shè)計(jì)通過一個(gè)3kW變頻器來改變控制油泵的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)控制油壓力的目的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的可靠性得到明顯提高。
四．變頻器和液體粘性調(diào)速離合器在油田注水泵利用中的優(yōu)點(diǎn)
（一）變頻器在油田注水泵利用中的優(yōu)點(diǎn)
采用變頻調(diào)速裝置對(duì)油田注水泵用電動(dòng)機(jī)實(shí)行變速調(diào)節(jié)，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(yùn)行，可以用壓力閉環(huán)或流量閉環(huán)控制注水泵的壓力或流量，在注水站工況發(fā)生改變時(shí)，變頻器可以使注水泵自動(dòng)調(diào)節(jié)注水壓力或流量。此時(shí)，泵的出口閥門全開，使泵的壓差減至零。這樣，既節(jié)約了電能，又減少了閥門的維護(hù)量，還提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，降低了系統(tǒng)的噪音，改善了工作的環(huán)境，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。通過采用變頻調(diào)速裝置獲得實(shí)際需要的注水流量及壓力，注水過程平穩(wěn)，水泵的運(yùn)行參數(shù)得以改善，系統(tǒng)效率大大提高，不但節(jié)約了電能(實(shí)踐證明可以節(jié)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(shí)油井產(chǎn)量也明顯提高。
（二）液體粘性調(diào)速離合器在油田注水泵利用中的優(yōu)點(diǎn)
應(yīng)用液體粘性調(diào)速離合器對(duì)油田注水泵進(jìn)行調(diào)速具有以下特點(diǎn)：
1節(jié)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(yùn)行負(fù)荷。
2可以輕載啟動(dòng)，減小了主電機(jī)啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊時(shí)間。
3相對(duì)于高壓變頻調(diào)速，對(duì)電網(wǎng)和環(huán)境無污染，成本低。
4可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，自動(dòng)化程度高。
五．結(jié)論
變頻器的優(yōu)點(diǎn)是改造時(shí)安裝、運(yùn)行時(shí)切換比較方便，缺點(diǎn)是價(jià)格高，對(duì)電網(wǎng)有污染，高次諧波會(huì)對(duì)電機(jī)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(diào)速離合器在油田注水泵中的利用率高。
