發布時間：2008-12-30 作者：中國工控網
輸油幫浦是油庫生產執行中主要能耗裝置。由於幫浦的特性和管路特性不匹配，在實際執行中需要根據執行工況控制輸油幫浦出口閥門的開度來調節流量，以滿足生產工藝的需要。這種流量調節方式在輸油幫浦出口閥門前後產生較大的幫浦管壓差，大量的能源消耗在幫浦出口閥前後，造成能源的浪費。
輸油幫浦機組上推廣高壓變頻調速系統，實現了通過改變輸油幫浦的轉速進行不同的工況調節，消除幫浦管壓差而產生的節流損失，降低了輸油單耗，節約了電能，改善了工藝。
一、 問題的提出
油田油庫主要接收油田兩大主力採油廠——採油一廠、採油二廠來油，總儲量50×104m3，裝備有5臺輸油幫浦機組。輸油幫浦機組的主要技術引數見表1。
由於輸油幫浦和輸油管道的特性不匹配（在幫浦選型過程，不可能選擇到完全與管路特性匹配的輸油幫浦），在不同的實際執行工況下，需通過調節輸油幫浦出口閥門來調節流量，據統計5臺輸油幫浦在單幫浦、雙幫浦、三幫浦併聯執行，三種不同執行狀況下，輸油幫浦閥門出口最大開度不超過10%（超過10%開度時易造成成輸油幫浦電機超過額定電流而導致電機超負荷執行）。造成在輸油幫浦出口閥門的前後存在著較大的幫浦管壓差，幫浦出口閥門節流損失了大量的能源，輸油幫浦做了大量的無用功，縮短了輸油幫浦機組的維護週期和使用壽命，不同執行工況下輸油幫浦出口閥門前後幫浦管壓差統計情況如表2所示。
表2：不同執行工況下輸油幫浦出口前後幫浦、管壓差統計
單位：mpa
注：上表中資料以某油庫2023年實際執行工況資料統計，表中資料為平均值。
由表2可見，油庫輸油幫浦在單幫浦、雙幫浦併聯、三幫浦併聯幾種匹配執行模式下，幫浦出口閥前後約平均有1.2mpa、0.7mpa、0.
4mpa的節流損失。在幫浦出口閥門前後，三種工況下（單幫浦、雙幫浦併聯、三幫浦併聯）由於幫浦出口閥節流而產生的節流損失為：
n損i=0.278p損iqi
式中： n損i：不同工況下的閥門節流損失功率，kw
p損i：不同工況下的閥門節流損失壓力，mpa
qi：不同工況下單幫浦的排量，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%
由上面計算可知，單幫浦、雙幫浦併聯、三幫浦併聯三種工況下，由於輸油幫浦出口閥門的節流損失佔其額定功率的39.7%、21.6%、11.3%。
可見，能源的浪費是十分驚人的。因此，有必要在輸油幫浦機組上應用變頻調速技術，以達到依據澡同的執行工況，通過變頻執行來滿足執行工況要求，將幫浦出口閥全開，避免幫浦出口閥的節流損失。
二、輸油幫浦機組變頻調速節能技術原理
根據離心幫浦的特性，其工況的調節主要是調節流量，而離心幫浦調節流量最常用的兩種方法一是通過調節幫浦出口閥的開度進行調節，另一種則是通過改變離心幫浦的轉速進行調節，前者雖然調節方便，但造成能源浪費巨大；通過對輸油幫浦電機的變頻改變電機的轉速，來實現輸油幫浦的工況調節，是因滿足工藝執行條件下的一條可行的技術途徑。
由離心幫浦的特性可知，在管路特性曲線不變的情況，改變離心幫浦轉速後，其效能引數的改變由下式確定
q / q！= n/ n1 h /h1=( n/n1 )2 n/n1=(n/n1)3
其中：q、h、n－－－－離心幫浦轉速為n時的流量、揚程、功率；q1、h1、n1－－－－-離心幫浦轉速改變為n1時的流量、揚程、功率。
由以上離心幫浦轉速改變前後的關係式方知，如果離心幫浦轉速有很小的降低，則離心幫浦所需的輸入功率會大幅度地降低，從而產生明顯的節能效果，離心幫浦轉速降低在額定轉速20%以內時，離心幫浦的特性曲線的形狀與原來相似，如圖1所當離心幫浦轉速由n降為n1時，其特性曲線為與原曲線平行的一條曲線，設原管路特性曲線為r，r與h-q（n）相交於a點，a即為原工況點。在變頻狀態下，離心幫浦轉速為n1時，其特性曲線為h1-q1(n1),由於此時幫浦出口閥被全開，管路特性曲線變為較為平坦的r1（n1），此時r1（n1）與h1-q1(n1)交於a1點，即為新的工況點，此時q1=q，即保持離心幫浦排量不變，但幫浦的揚程由h減少為h1，因此在保證滿足輸油量的情況下，通過削減離心幫浦楊程節約的能量為haa1h1的面積。這就是離心輸油幫浦變頻節能的原理。
三、高壓變頻調速系統的選擇
目前，6kv高壓變頻調速系統處於技術發展階段，其基本原理均為通過「交一直一交」的逆變過程，通過改變電機定子的電壓頻率從而改變電機的轉速。高壓電機調速的方式從技術實現途徑上又可分為「高一低一高」、「高一高」、「igbt直接串聯」等幾種方式。其中「高一低一高」方案中需多一級公升壓變壓器，裝置結構龐大，系統效率相對較低，屬於落後淘汰技術。
「高一高「方式直接採用6kv電壓輸入，6kv輸出無須公升壓變壓器，系統效率相對較高，目前該形式變頻調速系統應用較多。「igbt直接串聯」型變頻器採用1700v高壓igbt原件，具有元件數量少，占地空間小等優點，但由於igbt元件直接串聯從技術效能等方面尚不成熟，在技術上帶有一定的風險性。通過充分調研國內外各種6kv變頻調速系統的應用情況和進行各種變頻調速系統的技術經濟效能論證，科陸變頻調速系統的主要技術引數為：
逆變主迴路方式：單元串聯多電平
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%，輸出頻率範圍0.1hz～50hz,輸出頻率解析度0.01hz
輸入端功率因數（對於20%額定負載時）>0.95
變頻系統效率》96%
過載保護：120%額定電流、1min，150%額定電流3s，200%額定電流立即保護。
加速、減速時間0.1—300可調
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訊號0～20ma標準訊號
工控機與外部通訊介面rs485
外殼防護等級≥ip20
冷卻方式：風冷；執行環境溫度0～40℃
四、技術方案
高壓變頻調速系統應用輸油幫浦機組固然可產生較好的節能效益，但由於輸油系統屬於油庫生產中的乙個重要樞紐環節，長時間連續運轉，除對裝置本身要求有較高的可靠性之外，在技術方案上必須與現場的工藝特點相結合，充分考慮現場操作，啟動、停機，以及調節等諸方面的安全性，適用性和方便性。本系統在應用中採用了以技術措施。
①系統具備工頻、變頻手動切換功能。一旦變頻系統出現種故障，可以手動切換到工頻檔，將變頻系統甩開，在變頻系統維修期間可正常保障輸油幫浦的執行，滿足油庫生產的需要。
②系統的運轉頻率的調節採用開環手動調節方式。考慮到輸油系統要求安全平穩執行的特點，本系統不宜採用閉環調節控制。因為受整個輸油系統管網波動的影響，如採用閉環控制，很容易造成系統的自動停機，或者引起整個輸油系統的擾動，給輸油生產的排程指揮帶來不利的影響。
而採用開環人為控制，通過一定執行時間的技術摸索，在不同工況下，人為地設定和調整變頻系統的引數，即可減少部分初期投資，又可保障輸油系統的安全平穩執行。
③現場設定、啟動、停止以及緊急停機按鈕，控制室內設上位機對執行引數進行實行顯示，極大地方便了現場操作人員的操作和對裝置執行狀太的監視。
④優化系統的保護引數，確保輸油系統的連續平穩執行。在應用於輸油系統時必須慎重選擇，並對一些保護的引數按實際需要進行設定。避免由於變頻系統的保護過於靈敏而而造成輸油幫浦停機，影響輸油系統的安全平穩執行。
⑤ 在變頻調速系統內設定適合於現場實際的報警功能，並對執行的引數，操作情況，故障情況具有詳細的記錄功能。
五、應用效果
油庫2#輸油幫浦機組變頻調速系統正式投運成功，經過兩個月的試執行，取得了明顯的節能效果，對於在單幫浦執行，雙幫浦併聯執行、三幫浦併聯執行等不同的工況下，對比資料分別見表3、表4、表5所示。
注：①表3、表4、表5中資料為按當月同種工況下統計的資料的平均值；
②多幫浦併聯執行工況下，其單幫浦排量無分支計量裝置，由於其額定排量相同，其排量按當天輸量÷ 24h÷執行台數而計算得出。
由表3、表4、表5的統計資料可知，在不同的執行工況下，由於2#輸油幫浦變頻調速執行，可以產生明顯的節電效益，2#幫浦單幫浦執行時與原來同種工況下相比節電率達48.6%,2#與1#幫浦匹配執行時節電率達41.7%，2#與1#、3#三幫浦匹配併聯執行時節電率達38.
8%。據歷年執行資料統計，油庫單幫浦執行時間佔總執行時間的30%，雙幫浦執行時間佔總執行時間的55%，三幫浦併聯執行佔總執行時間的15%左右，據此可計算若2#輸油幫浦機組在全年執行狀況下，與未實施變頻調速前相比，綜合節電率為43.3%，若按每年執行350天計算，年可節電約216.
7×104kwh，按6kv工業電價0.465元/kwh計，年可產生節電效益100萬元，一年可基本**裝置投資。
此外，由於採用變頻系統對輸油幫浦機組進行軟啟軟停，減少了啟動過程中的衝擊，延長了輸油幫浦的保養維護週期，由於變頻後與原來相比在較低轉速下執行，幫浦軸、軸承的磨損程度減少，以軸承為例，變頻前2#幫浦正常轉時軸承溫度達85℃～90℃,而變頻執行時軸承溫度僅為60℃～65℃，這將大大延長輸油幫浦的軸承，機械密封等易損件的壽命，同時執行時噪音降低，因此，除取得顯著直接經濟效益外，還具有較好的間接經濟效益。
六、結束語
輸油幫浦機組高壓變頻調速節能技術是實現輸油系統節能的有效技術途徑，它將閥門節流工況調節方式改為輸油離心幫浦的轉速改變來調節工況的方式，具有調節方便的特點，幫浦出閥全開，有效地避免了輸油幫浦出口閥的節流損失，產生巨大的工能效益，同時還具有較好的減少輸油幫浦機組的機械衝擊，摩損和噪音延長輸油幫浦機組的維護保養週期及使用壽命等方面的間接經濟效益。但由於高壓變頻調速系統目前處於技術發展階段，且初期投資高，因此必須選用可靠性高，效能**比好，已有廣泛應用基礎的高壓變頻裝置，應用於輸油系統，應用過程中必須緊密地現場工藝狀況結全，選擇適當的調速控制方式，才能在取得明顯節能效益的基礎上，保證輸油系統的安全平穩執行。
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