变频器与液体粘性调速离合器在油田注水泵节能上的相较探讨

　　油田注水系统压力高、水量大，注水电动机大多数是大功率电动机，但油田注水站的额定流量与实际流量常常不相匹配，从而导致电动机长期处于高耗能状态。本文介绍了变频系统的原理，对变频系统与原有系统进行了比较。采用变频控制方式后，不仅提高了注水系统的效率，节约了电能，而且延长了电动机的使用寿命，减少了维修工作量及成本。同时介绍了液体粘性调速离合器的原理和结构特点，提出了在大功率、高转速条件下解决旋转密封、合理润滑和转速控制的难题的方法。从而进行变频器与液体粘性调速离合器在油田注水泵节能上的相较探讨。

　　在我国油田注水是大多数油田实施高产、稳产的极其有效的措施。而油田注水由于压力高、水量大，注水电动机大多是大功率电动机，电动机长期处于高耗能状态运行，采用变频调速装置对油田注水泵用电动机进行变速调节，实现注水泵变水量控制是一项非常有效的节能措施。注水系统耗电量约占油田总用电量的33％～56％，损失主要是由注水站内的泵管压差和注水管网的管阻、配水间及井口节流引起的。通过调速技术可以降低或消除泵管压差，有利于调度优化整个注水系统。

　　一．变频器的机构和原理

　　（一）变频器的结构

　　变频器实际上就是一个逆变器。它首先是将交流电变为直流电，然后用电子元件对直流电进行开关。变为交流电。一般功率较大的变频器用可控硅，并设一个可调频率的装置，使频率在一定范围内可调。用来控制电机的转数。使转数在一定的范围内可调，变频器广泛用于交流电机的调速中。变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。

　　1整流电路

　　2平波电路

　　3控制电路

　　4逆变电路

　　（二）变频器的系统原理

　　由于注水泵所需实际流量比泵的额定流量小，因此节电潜力较大。系统中注水泵的注水控制由变频器通过油井压力变送器的回馈压力值，与事先预设在变频器中的压力值进行比较，变频器中的PID调节器自动根据差值进行运算并调节控制变频器的频率，即变频调速运行，同时，变频器的运行参数通过内部计算机接口和通讯协议传输至计算机工作站，在计算机上可以随时检测和控制系统运行压力、电动机转速、输入／输出电压、输入／输出电流等参数，达到系统自动节能运行的目的。变频系统控制原理如图1所示。

　　二．液体粘性调速离合器的主机结构和原理

　　（一）液体粘性调速离合器主机结构

　　主动轴的左端有外齿，与具有内齿的主动摩擦片联接而同步旋转，主动摩擦片通过油膜的剪切作用带动具有外齿的被动摩擦片，进而带动具有内齿的被动毂旋转，被动毂通过被动盘带动被动轴旋转。

　　（二）液体粘性调速离合器工作原理

　　根据牛顿内摩擦定律，活塞左端受控制油压力的作用克服弹簧力而右移，使主、被动摩擦片间的间隙减小，输出转速增大。当控制油压力减小时活塞左移，间隙增大，输出转速减小。由于注水泵的转速可在主电机起动后逐步增加，因而可以起到轻载起动的作用。润滑油的作用是向摩擦片之间充分供油形成工作油膜，并将所生成的热量带走。控制油通过给油缸不同压力实现注水泵的无级调速。

　　三．液体粘性调速离合器的关键技术

　　（一）旋转密封

　　控制油进入到被动轴处有一个旋转密封结构，线速度达24m/s，设计密封压力2.0MPa。国内外在这里通常采用涨圈密封，涨圈材料一般采用Cu-Cr-Mo合金铸铁，表面进行锰磷镀。但是实践表明，在上述高线速度和高压条件下，涨圈磨损很快，磨损面为涨圈的端面。改用TMC作为涨圈的材料后，寿命有所提高；最后采用充填聚四氟乙烯，并把一道涨圈密封的结构改为三道，涨圈上的通油槽面积由里向外依次减少，使三道涨圈平均承受油压，取得了良好效果。

　　（二）摩擦片合理润滑

　　在设计主动轴出油孔时，首先要保证所有摩擦片在分离状态时都能得到润滑油，其次，出油孔不能都一样大，更不能把出油孔设计成出油槽，否则会造成前面的摩擦片得油多，后面得摩擦片得油少，造成部分摩擦片烧毁。

　　（三）转速控制

　　国内外普遍采用电液比例技术来调节输出转速，但是电液比例溢流阀对润滑油的清洁度要求很高，油中稍有脏物便易使之失灵。改进后的设计通过一个3kW变频器来改变控制油泵的转速，从而达到调节控制油压力的目的，转速调节的可靠性得到明显提高。

　　四．变频器和液体粘性调速离合器在油田注水泵利用中的优点

　　（一）变频器在油田注水泵利用中的优点

　　采用变频调速装置对油田注水泵用电动机实行变速调节，使得注水泵在大流量、小流量、高压力、低压力中的任一工况下均可运行，可以用压力闭环或流量闭环控制注水泵的压力或流量，在注水站工况发生改变时，变频器可以使注水泵自动调节注水压力或流量。此时，泵的出口阀门全开，使泵的压差减至零。这样，既节约了电能，又减少了阀门的维护量，还提高了系统的自动化水平，降低了系统的噪音，改善了工作的环境，减轻了工人的劳动强度。通过采用变频调速装置获得实际需要的注水流量及压力，注水过程平稳，水泵的运行参数得以改善，系统效率大大提高，不但节约了电能(实践证明可以节约20％～30％的用电量)，而且减少了注水泵的维修工作量及成本，同时油井产量也明显提高。

　　（二）液体粘性调速离合器在油田注水泵利用中的优点

　　应用液体粘性调速离合器对油田注水泵进行调速具有以下特点：

　　1节能效果明显，注水泵出口闸门可以完全打开，降低了注水泵的运行负荷。

　　2可以轻载启动，减小了主电机启动电流对电网的冲击时间。

　　3相对于高压变频调速，对电网和环境无污染，成本低。

　　4可以实现无级调速，自动化程度高。

　　五．结论

　　变频器的优点是改造时安装、运行时切换比较方便，缺点是价格高，对电网有污染，高次谐波会对电机绝缘造成损害。但从效率上看，变频在油田注水泵中的利用率不如液体粘性调速离合器在油田注水泵中的利用率高。