1 引言
隨著近幾年油田輸油泵系統(tǒng)運用低壓變頻調(diào)速技術(shù)的日趨成熟和普及推廣,油田輸油泵系統(tǒng)地面設(shè)備的節(jié)能技改重點開始轉(zhuǎn)向6kv/10kv高壓及1000kw以上的大型輸油泵機組?；趯鴥?nèi)輸油泵高能耗問題的認識和對當(dāng)前自控領(lǐng)域高壓大功率調(diào)速技術(shù)的比較研究，選擇目前國內(nèi)高壓大功率變頻技術(shù)領(lǐng)先的東方日立(成都)電控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器為核心部件，通過系統(tǒng)集成與技術(shù)整合，形成了一套具有國內(nèi)領(lǐng)先水平的解決方案。2005年10月投入運行后，無論在現(xiàn)場工藝方面，還是在節(jié)能降耗方面都取得了很好效果。
2 輸油站現(xiàn)狀
2.1 設(shè)備參數(shù)
慶哈輸油大隊是大慶油田公司管理的唯一一條長輸管線，負責(zé)為哈爾濱煉油廠輸送原油，每年輸送原油200多萬噸。慶哈輸油大隊共有3臺外輸泵機組，正常情況下啟1臺外輸泵，輸量大時啟動2?；?＃1000kw的大泵，輸量小時啟動1#800kw的小泵。慶哈輸油大隊3臺輸油泵機組，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示:
2.2 能耗分析
外輸油泵機組是慶哈輸油大隊的主要生產(chǎn)和耗能設(shè)備，由于泵的特性和管路特性不匹配，在實際運行中通過調(diào)節(jié)電動閥的開度來實現(xiàn)對輸量的控制，電動閥的開度僅為10％左右，有時泵壓和管壓的壓差高達2.6mpa，大量的能源消耗在閥門上，造成了資源的嚴重浪費。根據(jù)下面公式可以算出泵出口閥節(jié)流而產(chǎn)生的節(jié)流損失:
n損i=0.278p損iqi
式中:n損i:不同工況下的閥門節(jié)流損失功率，kw;
p損i:不同工況下的閥門節(jié)流損失壓力，mpa;
qi:不同工況下單泵的排量，m3/h;
n損i=0.278×2.6×290
=209.6kw/h/1000kw/h=20.96%
因此十分有必要在慶哈輸油大隊的輸油泵機組應(yīng)用高壓變頻技術(shù)，輸油時全開泵出口的調(diào)節(jié)閥，根據(jù)生產(chǎn)實際情況通過設(shè)置高壓變頻裝置的運行頻率實現(xiàn)對輸量調(diào)整，減少在閥門上能源的浪費。
3 技術(shù)方案的選擇
3.1 方案比較
目前，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“交一直一交”的逆變過程，通過改變電機定子的電壓頻率從而改變電機的轉(zhuǎn)速;但變頻的實現(xiàn)方式各不相同，目前有較為成熟的3種技術(shù)方案，分別為:移相整流串聯(lián)疊加技術(shù)、三電平技術(shù)、電流源型變頻技術(shù)，對比情況如表2所示。
經(jīng)對比分析，移相整流串聯(lián)疊加多電平電壓源技術(shù)先進，輸出電壓、電流波形好，對負載電機要求低。我們通過廣泛的調(diào)研和對變頻調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性能論證，最后選擇了東方日立(成都)電控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的dhvectol-di-01320/10b系列高壓變頻裝置。
3.2 dhvectol-di-01320/10b系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)
逆變主回路方式:單元串聯(lián)多電平;
額定容量:1320kva;
額定輸出電流72.6a，額定輸出電壓10kv;
輸入端功率因數(shù)(對于20%額定負載時)>0.95;
變頻系統(tǒng)效率>96%;
過載保護:110%額定電流、1min，120%額定電流30s，150%額定電流立即保護;
加速、減速時間0.1~3000s可調(diào);
諧波控制輸入電流<4%;
控制部分模擬量輸入輸出信號4~20ma標(biāo)準(zhǔn)信號;
冷卻方式:風(fēng)冷;
運行環(huán)境溫度-5~40℃;
具有故障屏蔽功能,最多可屏蔽2個單元,屏蔽時間>24h;
變頻設(shè)備型號:dhvectol-di—01320/10b。
3.3 輸油泵機組變頻調(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、是通過調(diào)節(jié)泵出口閥的開度進行調(diào)節(jié)，另一種是通過改變離心泵的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，前者雖然調(diào)節(jié)方便，但造成的能源浪費巨大。通過對輸油泵電機的變頻改變電機的轉(zhuǎn)速，來實現(xiàn)輸油泵的工況調(diào)節(jié)，是滿足工況運行條件下的一條可行的技術(shù)途徑。
dhvectol-di高壓變頻裝置是由旁通柜、移相變壓器、功率單元柜、主控柜四部分組成。輸油泵機組工頻、變頻切換，如圖1所示。
圖1 輸油泵機組工頻、變頻切換
注意:
(1) qs1為單刀雙置隔離開關(guān)，作為3#電機工頻/變頻切換;
(2) qs2為單刀雙置隔離開關(guān)，作為2#電機工頻/變頻切換;
(3) qf為小車開關(guān)。
可以根據(jù)生產(chǎn)實際情況在旁通柜搬動相應(yīng)開關(guān)選擇需要變頻運行的輸油泵機組。
dhvectol-di系列變頻調(diào)速裝置采用多電平串聯(lián)技術(shù)，10kv變頻裝置有30個功率單元，每10個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相，每個功率單元結(jié)構(gòu)以及電氣性能完全一致，可以互換(其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示)。功率單元實際上是交－直－交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相橋、通過對igbt逆變橋進行正弦pwm控制，功率單元內(nèi)部還包括驅(qū)動、保護、監(jiān)測、通訊等組件的控制電路。輸入側(cè)由移相變壓器給每個單元供電,移相變壓器的副邊繞組分為三組,構(gòu)成60脈沖整流方式，這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形,使用負載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。
圖2 單元電路結(jié)構(gòu)圖
功率單元輸出側(cè)由每個單元的u、v輸出端子相互串接成星型接法直接給高壓電機供電，通過對每個單元的pwm波形進行重組，可得到階梯正弦pwm波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造;同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小軸承和葉片的機械應(yīng)力。
4 系統(tǒng)的優(yōu)化配置
高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于輸油泵機組固然可產(chǎn)生較好的節(jié)能效益，但由于輸油系統(tǒng)屬于長輸管線一個重要樞紐環(huán)節(jié)，長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)，除對設(shè)備本身要求有較高的可靠性之外，系統(tǒng)還必須與現(xiàn)場的工藝特點相結(jié)合，充分考慮現(xiàn)場操作，啟動、停機，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)用中采用了以下技術(shù)措施:
(1) 系統(tǒng)具備工頻、變頻切換功能。一旦變頻系統(tǒng)出現(xiàn)各種故障，可以切換到工頻，將變頻系統(tǒng)甩開，在變頻系統(tǒng)維修期間可正常保障輸油泵的運行，滿足油庫生產(chǎn)的需要。
(2) 系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)頻率的調(diào)節(jié)采用開環(huán)手動調(diào)節(jié)方式?？紤]到輸油系統(tǒng)要求安全平穩(wěn)運行的特點，本系統(tǒng)不宜采用閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。因為受整個輸油系統(tǒng)管網(wǎng)波動的影響，如采用閉環(huán)控制有可能引起整個輸油系統(tǒng)的擾動，給輸油生產(chǎn)的調(diào)度指揮帶來不利的影響。而采用開環(huán)人工控制，通過一定運行時間的技術(shù)摸索，在不同工況下，通過人工的設(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)運行。
(3) 現(xiàn)場設(shè)置、啟動、停止以及緊急停機按鈕，極大地方便了現(xiàn)場操作人員的操作和對設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)視。
(4) 實現(xiàn)了原站控制系統(tǒng)的信息共享，在站控制室顯示高壓變頻裝置的所有參數(shù)、運行情況和所有的報警信息。
(5) 變頻裝置具有旁路功能，這種功能是一種快速地、自動地切除出現(xiàn)故障單元而保證系統(tǒng)繼續(xù)正常運行的方法。當(dāng)功率單元出現(xiàn)故障時，故障報警信號經(jīng)由通訊電路傳輸給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)接到故障信號后，經(jīng)過故障種類判斷，對系統(tǒng)的各種信號協(xié)調(diào)，在條件滿足后，用最短的時間將出現(xiàn)故障的功率單元進行旁路切除，主控系統(tǒng)通過改變算法，重新計算輸出波形，保持輸出電壓波形完整，同時向用戶發(fā)出報警信號，并且自動對輸出功率進行調(diào)整，使擾動降至最低，保證系統(tǒng)正常運行。
5 使用節(jié)能效果分析
從2005年10月21日高壓變頻裝置使用以來，系統(tǒng)運行穩(wěn)定,節(jié)能效果明顯,具體情況如下。
(1) 2＃電機工頻、變頻運行情況對比:
2＃電機以290m3/h的排量工頻運行24小時即10月27日12:00到10月28日12:00，共耗電20200kwh
2＃電機以290m3/h的排量變頻運行兩天實際耗電為:
10月30日0:00――24:00耗電11160kwh
10月31日0:00――24:00耗電11100 kwh
節(jié)電率為:
20200-11160＝9040 9040／20200＝44.75％
節(jié)電率為:
20200－11100＝9100 9100／20200＝45％
11月份2＃電機變頻運行1個月每天耗電量如表3所示。
(2) 2＃電機變頻運行1個月后和1-9月份工頻運行數(shù)據(jù)對比(參見表4),經(jīng)過計算可得:
2005年前9個月平均輸油單耗:2.57kw·h/t
2005年11月份平均輸油單耗:1.78kw·h/t
輸油單耗減少了0.79kw·h/t
單耗節(jié)電率:30.74%
以11月份變頻運行的每噸單耗計算出2004年輸油耗電量:3670420kw·h; 2004年輸油耗電量: 5285790kw·h;節(jié)約電量為1615370kw·h，若按工業(yè)電價0.51元/kw·h計算，每年節(jié)約電費約為82.38萬元，1年多即可以收回成本。目前泵和管道還存在壓差，壓差為0.3mpa，因此還存在節(jié)能的潛力。
由于采用變頻系統(tǒng)對輸油泵機組進行軟啟軟停，減少了啟動過程中的沖擊，延長了輸油泵的保養(yǎng)維護周期，由于變頻后與原來相比在較低轉(zhuǎn)速下運行，泵軸、軸承的磨損程度減少，以軸承為例，變頻前2#泵正常運轉(zhuǎn)時軸承溫度達77℃~82℃,而變頻運行時軸承溫度僅為56℃~61℃，這將大大延長輸油泵的軸承，機械密封等易損件的壽命，同時運行時噪音降低，因此，除取得顯著直接經(jīng)濟效益外，還具有較好的間接經(jīng)濟效益。
6 結(jié)束語
輸油泵機組高壓變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)是實現(xiàn)輸油系統(tǒng)節(jié)能的有效技術(shù)途徑，它將閥門節(jié)流工況調(diào)節(jié)方式改為調(diào)節(jié)輸油離心泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)工況的方式，具有調(diào)節(jié)方便的特點，泵出口閥全開，有效的避免了輸油泵出口閥的節(jié)能損失，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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