摘要：輸油泵是油庫(kù)生產(chǎn)運(yùn)行中主要能耗設(shè)備。由于泵的特性和管路特性不匹配，在實(shí)際運(yùn)行中需要根據(jù)運(yùn)行工況控制輸油泵出口閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)流量，以滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的需要。這種流量調(diào)節(jié)方式在輸油泵出口閥門(mén)前后產(chǎn)生較大的泵管壓差，大量的能源消耗在泵出口閥前后，造成能源的浪費(fèi)。在南一油庫(kù)6KV/630KW的KDY750-75×4型輸油泵機(jī)組上推廣應(yīng)用了一套利德華福公司生產(chǎn)的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)改變輸油泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行不同的工況調(diào)節(jié)，消除泵管壓差而產(chǎn)生的節(jié)流損失，降低了輸油單耗，節(jié)約了電能，改善了工藝。
一、問(wèn)題的提出
大慶油田南一油庫(kù)主要接收油田兩大主力采油廠(chǎng)——采油一廠(chǎng)、采油二廠(chǎng)來(lái)油，總儲(chǔ)量50×104m3，裝備有5臺(tái)輸油泵機(jī)組。輸油泵機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1：南一油庫(kù)輸油泵機(jī)組技術(shù)參數(shù)
泵號(hào) 型號(hào) 揚(yáng)程（m） 流量（m3/h） 轉(zhuǎn)數(shù)rpm 配套電機(jī) 1#2# KDY550--75×4 300 550 1480 Y450-4， N=630KW 3#4# KDY550--75×4 250 550 1480 Y400-4， N=560KW 5# 250D60×6 360 450 1480 JSQ158-4， N=680KW
由于輸油泵和輸油管道的特性不匹配（在泵選型過(guò)程，不可能選擇到完全與管路特性匹配的輸油泵），在不同的實(shí)際運(yùn)行工況下，需通過(guò)調(diào)節(jié)輸油泵出口閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)流量，據(jù)統(tǒng)計(jì)5臺(tái)輸油泵在單泵、雙泵、三泵并聯(lián)運(yùn)行，三種不同運(yùn)行狀況下，輸油泵閥門(mén)出口最大開(kāi)度不超過(guò)10%（超過(guò)10%開(kāi)度時(shí)易造成成輸油泵電機(jī)超過(guò)額定電流而導(dǎo)致電機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行）。造成在輸油泵出口閥門(mén)的前后存在著較大的泵管壓差，泵出口閥門(mén)節(jié)流損失了大量的能源，輸油泵做了大量的無(wú)用功，縮短了輸油泵機(jī)組的維護(hù)周期和使用壽命，不同運(yùn)行工況下輸油泵出口閥門(mén)前后泵管壓差統(tǒng)計(jì)情況如表2所示。
表2：不同運(yùn)行工況下輸油泵出口前后泵、管壓差統(tǒng)計(jì)
單位：MPa
運(yùn)行工況 1#(2#)單運(yùn) 1# 2#并聯(lián)運(yùn)行 1#3#并聯(lián)2##并聯(lián) 3#或4#單臺(tái)運(yùn)行 3#和4#并聯(lián)運(yùn)行 5#單運(yùn) 1#2#3#三泵并聯(lián) 泵出口壓力 1.75 1.98 1.85 1.62 1.79 2.05 2.20 匯管壓力 0.53 1.21 1.15 0.48 1.10 0.65 1.75 泵出口閥前后壓差 1.22 0.77 0.70 1.14 0.69 1.40 0.45
注：上表中數(shù)據(jù)以南一油庫(kù)2002年實(shí)際運(yùn)行工況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，表中數(shù)據(jù)為平均值。
由表2可見(jiàn)，南一油庫(kù)輸油泵在單泵、雙泵并聯(lián)、三泵并聯(lián)幾種匹配運(yùn)行模式下，泵出口閥前后約平均有1.2Mpa、0.7Mpa、0.4Mpa的節(jié)流損失。在泵出口閥門(mén)前后，三種工況下（單泵、雙泵并聯(lián)、三泵并聯(lián)）由于泵出口閥節(jié)流而產(chǎn)生的節(jié)流損失為：
N損i=0.278P損iQi
式中： N損i：不同工況下的閥門(mén)節(jié)流損失功率，KW
P損i：不同工況下的閥門(mén)節(jié)流損失壓力，Mpa
Qi：不同工況下單泵的排量，m3/h
N損1=0.278×1.2×750=250KW 250KW/630KW=39.7%
N損2=0.278×0.7×700=136KW 36KW/630KW×100%=21.6%
N損3=0.278×0.4×640=71KW 71KW/630KW×100%=11.3%
由上面計(jì)算可知，單泵、雙泵并聯(lián)、三泵并聯(lián)三種工況下，由于輸油泵出口閥門(mén)的節(jié)流損失占其額定功率的39.7%、21.6%、11.3%。
可見(jiàn)，能源的浪費(fèi)是十分驚人的。因此，有必要在輸油泵機(jī)組上應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，以達(dá)到依據(jù)澡同的運(yùn)行工況，通過(guò)變頻運(yùn)行來(lái)滿(mǎn)足運(yùn)行工況要求，將泵出口閥全開(kāi)，避免泵出口閥的節(jié)流損失。
二、輸油泵機(jī)組變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)原理
根據(jù)離心泵的特性，其工況的調(diào)節(jié)主要是調(diào)節(jié)流量，而離心泵調(diào)節(jié)流量最常用的兩種方法一是通過(guò)調(diào)節(jié)泵出口閥的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，另一種則是通過(guò)改變離心泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，前者雖然調(diào)節(jié)方便，但造成能源浪費(fèi)巨大；通過(guò)對(duì)輸油泵電機(jī)的變頻改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來(lái)實(shí)現(xiàn)輸油泵的工況調(diào)節(jié)，是因滿(mǎn)足工藝運(yùn)行條件下的一條可行的技術(shù)途徑。
由離心泵的特性可知，在管路特性曲線(xiàn)不變的情況，改變離心泵轉(zhuǎn)速后，其性能參數(shù)的改變由下式確定
Q / Q！= n/ n1 H /H1=( n/n1 )2 N/N1=(n/n1)3
其中：Q、H、N----離心泵轉(zhuǎn)速為n時(shí)的流量、揚(yáng)程、功率；
Q1、H1、N1-----離心泵轉(zhuǎn)速改變?yōu)閚1時(shí)的流量、揚(yáng)程、功率。
由以上離心泵轉(zhuǎn)速改變前后的關(guān)系式方知，如果離心泵轉(zhuǎn)速有很小的降低，則離心泵所需的輸入功率會(huì)大幅度地降低，從而產(chǎn)生明顯的節(jié)能效果，離心泵轉(zhuǎn)速降低在額定轉(zhuǎn)速20%以?xún)?nèi)時(shí)，離心泵的特性曲線(xiàn)的形狀與原來(lái)相似，如圖1所當(dāng)離心泵轉(zhuǎn)速由n降為n1時(shí)，其特性曲線(xiàn)為與原曲線(xiàn)平行的一條曲線(xiàn)，設(shè)原管路特性曲線(xiàn)為R，R與H-Q（n）相交于A(yíng)點(diǎn)，A即為原工況點(diǎn)。在變頻狀態(tài)下，離心泵轉(zhuǎn)速為n1時(shí)，其特性曲線(xiàn)為H1-Q1(n1),由于此時(shí)泵出口閥被全開(kāi)，管路特性曲線(xiàn)變?yōu)檩^為平坦的R1（n1），此時(shí)R1（n1）與H1-Q1(n1)交于A(yíng)1點(diǎn)，即為新的工況點(diǎn)，此時(shí)Q1=Q，即保持離心泵排量不變，但泵的揚(yáng)程由H減少為H1，因此在保證滿(mǎn)足輸油量的情況下，通過(guò)削減離心泵楊程節(jié)約的能量為HAA1H1的面積。這就是離心輸油泵變頻節(jié)能的原理。
三、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的選擇
目前，6KV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)處于技術(shù)發(fā)展階段，其基本原理均為通過(guò)“交一直一交”的逆變過(guò)程，通過(guò)改變電機(jī)定子的電壓頻率從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。高壓電機(jī)調(diào)速的方式從技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑上又可分為“高一低一高”、“高一高”、“IGBT直接串聯(lián)”等幾種方式。其中“高一低一高”方案中需多一級(jí)升壓變壓器，設(shè)備結(jié)構(gòu)龐大，系統(tǒng)效率相對(duì)較低，屬于落后淘汰技術(shù)?！案咭桓摺胺绞街苯硬捎?KV電壓輸入，6KV輸出無(wú)須升壓變壓器，系統(tǒng)效率相對(duì)較高，目前該形式變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用較多?！癐GBT直接串聯(lián)”型變頻器采用1700V高壓IGBT原件，具有元件數(shù)量少，占地空間小等優(yōu)點(diǎn)，但由于IGBT元件直接串聯(lián)從技術(shù)性能等方面尚不成熟，在技術(shù)上帶有一定的風(fēng)險(xiǎn)性。通過(guò)充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外各種6KV變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用情況和進(jìn)行各種變頻調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能論證，最終選用北京利德華福公司生產(chǎn)的HARSVERT-A06/076型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于南一油庫(kù)2#輸油泵機(jī)組上。該變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)為：
逆變主回路方式：?jiǎn)卧?lián)多電平
額定容量：790KVA
額定輸出電流76A，額定輸出電壓6KV
輸入頻率50HZ±10%，輸出頻率范圍0.1HZ～50HZ,輸出頻率分辨率0.01HZ
輸入端功率因數(shù)（對(duì)于20%額定負(fù)載時(shí)）>0.95
變頻系統(tǒng)效率>96%
過(guò)載保護(hù)：120%額定電流、1min，150%額定電流3S，200%額定電流立即保護(hù)。
加速、減速時(shí)間0.1—300可調(diào)
諧波控制輸入電流<4%，輸出電壓6%，輸出電流2%
控制部分模擬量輸入輸出信號(hào)0～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)
工控機(jī)與外部通訊接口RS485
外殼防護(hù)等級(jí)≥IP20
冷卻方式：風(fēng)冷；運(yùn)行環(huán)境溫度0～40℃
四、技術(shù)方案
高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用輸油泵機(jī)組固然可產(chǎn)生較好的節(jié)能效益，但由于輸油系統(tǒng)屬于油庫(kù)生產(chǎn)中的一個(gè)重要樞紐環(huán)節(jié)，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，除對(duì)設(shè)備本身要求有較高的可靠性之外，在技術(shù)方案上必須與現(xiàn)場(chǎng)的工藝特點(diǎn)相結(jié)合，充分考慮現(xiàn)場(chǎng)操作，啟動(dòng)、停機(jī)，以及調(diào)節(jié)等諸方面的安全性，適用性和方便性。本系統(tǒng)在應(yīng)用中采用了以技術(shù)措施。
?、?nbsp;系統(tǒng)具備工頻、變頻手動(dòng)切換功能。一旦變頻系統(tǒng)出現(xiàn)種故障，可以手動(dòng)切換到工頻檔，將變頻系統(tǒng)甩開(kāi)，在變頻系統(tǒng)維修期間可正常保障輸油泵的運(yùn)行，滿(mǎn)足油庫(kù)生產(chǎn)的需要。
?、?nbsp;系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的調(diào)節(jié)采用開(kāi)環(huán)手動(dòng)調(diào)節(jié)方式?？紤]到輸油系統(tǒng)要求安全平穩(wěn)運(yùn)行的特點(diǎn)，本系統(tǒng)不宜采用閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。因?yàn)槭苷麄€(gè)輸油系統(tǒng)管網(wǎng)波動(dòng)的影響，如采用閉環(huán)控制，很容易造成系統(tǒng)的自動(dòng)停機(jī)，或者引起整個(gè)輸油系統(tǒng)的擾動(dòng)，給輸油生產(chǎn)的調(diào)度指揮帶來(lái)不利的影響。而采用開(kāi)環(huán)人為控制，通過(guò)一定運(yùn)行時(shí)間的技術(shù)摸索，在不同工況下，人為地設(shè)定和調(diào)整變頻系統(tǒng)的參數(shù)，即可減少部分初期投資，又可保障輸油系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。
③ 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置、啟動(dòng)、停止以及緊急停機(jī)按鈕，控制室內(nèi)設(shè)上位機(jī)對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)行顯示，極大地方便了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的操作和對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀太的監(jiān)視。
?、?nbsp;優(yōu)化系統(tǒng)的保護(hù)參數(shù)，確保輸油系統(tǒng)的連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行。在應(yīng)用于輸油系統(tǒng)時(shí)必須慎重選擇，并對(duì)一些保護(hù)的參數(shù)按實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置。避免由于變頻系統(tǒng)的保護(hù)過(guò)于靈敏而而造成輸油泵停機(jī)，影響輸油系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。
?、?nbsp;在變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置適合于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的報(bào)警功能，并對(duì)運(yùn)行的參數(shù)，操作情況，故障情況具有詳細(xì)的記錄功能。
五、應(yīng)用效果
南一油庫(kù)2#輸油泵機(jī)組變頻調(diào)速系統(tǒng)于2003年4月18號(hào)正式投運(yùn)成功，經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的試運(yùn)行，取得了明顯的節(jié)能效果，對(duì)于在單泵運(yùn)行，雙泵并聯(lián)運(yùn)行、三泵并聯(lián)運(yùn)行等不同的工況下，對(duì)比數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表3、表4、表5所示。
表3：?jiǎn)伪茫?#泵單運(yùn)）變頻前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比
時(shí)間 泵壓MPa 管壓MPa 泵管壓差MPa 電機(jī)電流 A 頻率HZ 轉(zhuǎn)速rpm 排量t/h 日耗電KWh 輸油單耗kWh/t 節(jié)電率% 2003年3月 1.75 0.53 1.22 70 50 1980 650 14395 0.92 0 2003年5月 0.56 0.55 0.01 36 37 1465 646 7403 0.48 48.6
表4：雙泵（2#泵與1#泵匹配運(yùn)行）變頻前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比
時(shí)間 泵壓MPa 管壓MPa 泵管壓差MPa 電機(jī)電流A 頻率HZ 轉(zhuǎn)速rpm 排量t/h 日耗電KWh 輸油單耗kWh/t 節(jié)電率% 2003年3月1#
2# 1.98
1.98 1.21
1.21 0.76
0.77 70
70 50
50 1980
1980 610
610 14190
14100 1.04
1.04 2003年5月1#
2# 1.89
1.20 1.19
1.19 0.70
0.01 69
40 50
38.5 1980
1525 615
615 14230
8226 1.04
0.56 41.7
表5:三泵（1#2#3#匹配運(yùn)行）變頻前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比
時(shí)間 泵壓MPa 管壓MPa 泵管壓差
MPa 電機(jī)電流A 頻率HZ 轉(zhuǎn)速rpm 排量t/h 日耗電KWh 輸油單耗kWh/t 節(jié)電率
% 2003年3月1#
2#
3# 2.15
2.20
2.10 1.75
1.75
1.75 0.40
0.45
0.35 71
70
64 50
50
50 1980
1980
1980 580
580
580 14050
14100
12950 1.01
1.03
0.93 2003年5月1#
2#
3# 2.10
1.76
2.0 1.75
1.75
1.75 0.35
0.01
0.25 70
45
64 50
42
50 1980
1663
1980 590
590
590 14230
8630
12980 0.99
0.61
0.92 38.8
注：①表3、表4、表5中數(shù)據(jù)為按當(dāng)月同種工況下統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)的平均值；
?、诙啾貌⒙?lián)運(yùn)行工況下，其單泵排量無(wú)分支計(jì)量裝置，由于其額定排量相同，其排量按當(dāng)天輸量÷ 24h÷運(yùn)行臺(tái)數(shù)而計(jì)算得出。
由表3、表4、表5的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，在不同的運(yùn)行工況下，由于2#輸油泵變頻調(diào)速運(yùn)行，可以產(chǎn)生明顯的節(jié)電效益，2#泵單泵運(yùn)行時(shí)與原來(lái)同種工況下相比節(jié)電率達(dá)48.6%,2#與1#泵匹配運(yùn)行時(shí)節(jié)電率達(dá)41.7%，2#與1#、3#三泵匹配并聯(lián)運(yùn)行時(shí)節(jié)電率達(dá)38.8%。據(jù)歷年運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，南一油庫(kù)單泵運(yùn)行時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間的30%，雙泵運(yùn)行時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間的55%，三泵并聯(lián)運(yùn)行占總運(yùn)行時(shí)間的15%左右，據(jù)此可計(jì)算若2#輸油泵機(jī)組在全年運(yùn)行狀況下，與未實(shí)施變頻調(diào)速前相比，綜合節(jié)電率為43.3%，若按每年運(yùn)行350天計(jì)算，年可節(jié)電約216.7×104KWh，按6KV工業(yè)電價(jià)0.465元/KWh計(jì)，年可產(chǎn)生節(jié)電效益100萬(wàn)元，一年可基本回收設(shè)備投資。
此外，由于采用變頻系統(tǒng)對(duì)輸油泵機(jī)組進(jìn)行軟啟軟停，減少了啟動(dòng)過(guò)程中的沖擊，延長(zhǎng)了輸油泵的保養(yǎng)維護(hù)周期，由于變頻后與原來(lái)相比在較低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，泵軸、軸承的磨損程度減少，以軸承為例，變頻前2#泵正常轉(zhuǎn)時(shí)軸承溫度達(dá)85℃～90℃,而變頻運(yùn)行時(shí)軸承溫度僅為60℃～65℃，這將大大延長(zhǎng)輸油泵的軸承，機(jī)械密封等易損件的壽命，同時(shí)運(yùn)行時(shí)噪音降低，因此，除取得顯著直接經(jīng)濟(jì)效益外，還具有較好的間接經(jīng)濟(jì)效益。
六、結(jié)束語(yǔ)
輸油泵機(jī)組高壓變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)輸油系統(tǒng)節(jié)能的有效技術(shù)途徑，它將閥門(mén)節(jié)流工況調(diào)節(jié)方式改為輸油離心泵的轉(zhuǎn)速改變來(lái)調(diào)節(jié)工況的方式，具有調(diào)節(jié)方便的特點(diǎn)，泵出閥全開(kāi)，有效地避免了輸油泵出口閥的節(jié)流損失，產(chǎn)生巨大的工能效益，同時(shí)還具有較好的減少輸油泵機(jī)組的機(jī)械沖擊，摩損和噪音延長(zhǎng)輸油泵機(jī)組的維護(hù)保養(yǎng)周期及使用壽命等方面的間接經(jīng)濟(jì)效益。但由于高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)目前處于技術(shù)發(fā)展階段，且初期投資高，因此必須選用可靠性高，性能價(jià)格比好，已有廣泛應(yīng)用基礎(chǔ)的高壓變頻裝置，應(yīng)用于輸油系統(tǒng)，應(yīng)用過(guò)程中必須緊密地現(xiàn)場(chǎng)工藝狀況結(jié)全，選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)速控制方式，才能在取得明顯節(jié)能效益的基礎(chǔ)上，保證輸油系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)：
《輸油管道節(jié)能技術(shù)概論》茹慧靈主編，北京：石油工業(yè)出版社，2000
《HARSVERT-A高壓變頻器技術(shù)手冊(cè)》
作者簡(jiǎn)介：
馬明利，男，1967年生，高級(jí)工程師 ，1990畢業(yè)于西南石油學(xué)院，2004年畢業(yè)于東南大學(xué)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)在大慶油田有限責(zé)任公司儲(chǔ)運(yùn)銷(xiāo)售分公司從事油庫(kù)儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)管理工作。
（摘自利德華福網(wǎng)站）
（轉(zhuǎn)載）
