1 引言
大慶油田南一油庫(kù)主要接收油田兩大主力采油廠－采油一廠、采油二廠來油，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)見表1。
由于輸油泵和輸油管道的特性不匹配(在泵選型過程，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，需通過調(diào)節(jié)輸油泵出口閥門來調(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，輸油泵閥門出口最大開度不超過10%(超過10%開度時(shí)易造成輸油泵電機(jī)超過額定電流而導(dǎo)致電機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行)。這種運(yùn)行工況造成在輸油泵出口閥門的前后存在著較大的泵管壓差，由于泵出口閥門的節(jié)流造成了大量的能源損失，輸油泵做了大量的無用功，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前后泵管壓差統(tǒng)計(jì)情況如表2所示。
注:表2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2中數(shù)據(jù)為平均值，單位:mpa。
由表2可見, 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:
p損i=0.278h損iqi
式中: p損i:不同工況下的閥門節(jié)流損失功率，kw
h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
p損1=0.278×1.2×750=250kw
節(jié)流損失比=250kw/630kw×100%=39.7%
p損2=0.278×0.7×700=136kw
節(jié)流損失比=136kw/630kw×100%=21.6%
p損3=0.278×0.4×640=71kw
節(jié)流損失比=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的節(jié)流損失占其額定功率的39.7%、21.6%、11.3%。
可見，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)不同的運(yùn)行工況，通過變頻運(yùn)行來滿足運(yùn)行工況要求。使用變頻調(diào)速技術(shù)后，泵出口閥全開，就可以避免原運(yùn)行方式造成的節(jié)流損失。
2 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調(diào)節(jié)泵出口閥的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，另一種則是通過改變離心泵的轉(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;通過對(duì)輸油泵電機(jī)的變頻改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來實(shí)現(xiàn)輸油泵的工況調(diào)節(jié)，是滿足工藝運(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∝n，h∝n2,p∝n3
由以上離心泵轉(zhuǎn)速改變前后的關(guān)系式可知，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。
圖1 管路特性不變時(shí)離心泵轉(zhuǎn)速改變時(shí)特性曲線
圖1中，a即為額定工況點(diǎn)，c點(diǎn)為調(diào)節(jié)閥門時(shí)的運(yùn)行點(diǎn)。在變頻狀態(tài)下，離心泵轉(zhuǎn)速為n2時(shí)，工況點(diǎn)變?yōu)閎點(diǎn)，即為新的工況點(diǎn)，此時(shí)q不變，即保持離心泵排量不變，但泵的揚(yáng)程由h3減少為h2，因此在保證滿足輸油量的情況下，通過削減離心泵揚(yáng)程節(jié)約的能量為，這就是離心輸油泵變頻節(jié)能的原理。
3 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“交一直一交”的逆變過程，通過改變電機(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)?！案咭桓摺狈绞街苯硬捎?kv電壓輸入，6kv輸出無須升壓變壓器，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?！癷gbt直接串聯(lián)”型變頻器采用1700v高壓igbt器件，具有器件數(shù)量少，占地空間小等優(yōu)點(diǎn)，但由于igbt器件直接串聯(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:
l逆變主回路方式:單元串聯(lián)多電平;
l額定容量:790kva;
l額定輸出電流:76a;
l額定輸出電壓:6kv;
l輸入頻率:45hz～50hz;
l輸出頻率范圍:0.1hz～50hz;
l輸出頻率分辨率:0.01hz;
l輸入端功率因數(shù):大于20%額定負(fù)載時(shí)>0.95;
l變頻系統(tǒng)效率:>96%;
l過載保護(hù):120% 1min, 150% 3s，200%立即保護(hù);
l加減速時(shí)間:0.1～3000s可調(diào);
l諧波控制:輸入電流<4%, 輸出電壓4%, 輸出電流2%;
l模擬量輸入信號(hào):0～10v/4～20ma任意設(shè)定;
l模擬量輸出信號(hào):兩路0～10v/4～20ma可選;
l外部通訊接口:rs-485;
l外殼防護(hù)等級(jí):≥ip20;
l冷卻方式:風(fēng)冷;
l運(yùn)行環(huán)境溫度:0～40℃。
4 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)用中采用了以下技術(shù)措施。
(1) 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)某種故障，可以手動(dòng)切換到工頻檔，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(yùn)行，滿足油庫(kù)生產(chǎn)的需要;
(2) 系統(tǒng)的運(yùn)行頻率的調(diào)節(jié)采用開環(huán)手動(dòng)調(diào)節(jié)方式。考慮到輸油系統(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)度指揮帶來不利的影響。而采用開環(huán)人工控制，通過一定運(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)，既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)時(shí)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)行狀態(tài)的監(jiān)視;
(4) 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)過于靈敏而造成輸油泵停機(jī)，影響輸油系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行;
(5) 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，故障情況等具有詳細(xì)的記錄功能。
5 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日正式投運(yùn)成功，經(jīng)過兩個(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)分別見表3、表4、表5所示。
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)算出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。
6 結(jié)束語
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)速改變來調(diào)節(jié)工況的方式，具有調(diào)節(jié)方便的特點(diǎn)，泵出口閥全開，有效地避免了輸油泵出口閥的節(jié)流損失，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)還減少了輸油泵機(jī)組的機(jī)械沖擊，降低了運(yùn)行中的磨損和噪音，延長(zhǎng)了輸油泵機(jī)組的維護(hù)保養(yǎng)周期、增加整個(gè)機(jī)組的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)用過程中必須緊密的與現(xiàn)場(chǎng)工藝狀況結(jié)合，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)
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[2] harsvert-a高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)手冊(cè).
作者簡(jiǎn)介
馬明利(1967-) 男 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)于大慶油田有限責(zé)任公司儲(chǔ)運(yùn)銷售分公司從事油庫(kù)儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)管理工作。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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