王雯雯 張春 嚴(yán)建鋒

【摘要】魏荊線輸油管道由于常年在超低輸量下運(yùn)行，節(jié)流損失較大，泵效較低，造成大量的能量消耗。通過對魏荊線輸油泵機(jī)組更新改造并引進(jìn)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同工況的流量調(diào)節(jié)，最大限度的降低能量消耗，節(jié)約了電能。

【關(guān)鍵詞】魏荊線 輸油泵 變頻技術(shù) 節(jié)能

1 引言

魏崗-荊門輸油管道（魏荊線）原設(shè)計(jì)輸量為350×104t/a，管徑為Φ426×7，管道最高運(yùn)行溫度為70℃，承擔(dān)著從南陽油田向荊門石化輸送原油的任務(wù)，但魏荊線實(shí)際年輸油量僅100萬噸左右。由于目前魏荊線常年在超低輸量下運(yùn)行，節(jié)流損失較大，導(dǎo)致泵機(jī)組效率低下。

根據(jù)中石化系統(tǒng)原油流向調(diào)整的需要，魏荊線以后輸量為93～126×104t/a，輸送過程中仍會存在較大的節(jié)流損失。為了解決上述問題，通過更新魏荊線輸油泵機(jī)組（在魏崗首站、襄樊泵站各設(shè)置Q=170m³/h H=370m N=355KW 高效輸油泵機(jī)組2臺，1用1備），同時(shí)采用在魏崗、襄樊站各設(shè)置1套北京利德福公司生產(chǎn)的HARSVERT—A06/040型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，最大限度的減少節(jié)流損失。

2 輸油泵機(jī)組變頻調(diào)速系統(tǒng)

根據(jù)離心泵的特性，其工況調(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，但能源浪費(fèi)嚴(yán)重；通過對輸油泵電機(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)行條件下的一條經(jīng)濟(jì)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/Q1= 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%以內(nèi)時(shí)，離心泵的特性曲線的形狀與原來相似，如圖1所當(dāng)離心泵轉(zhuǎn)速由n降為n1時(shí)，其特性曲線為與原曲線平行的一條曲線，設(shè)原管路特性曲線為R，R與H-Q（n）相交于A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)，其特性曲線為H1-Q1（n1），由于此時(shí)泵出口閥全開，管路特性曲線變?yōu)檩^為平坦的R1（n1），此時(shí)R1（n1）與H1-Q1（n1）交于A1點(diǎn)，即為新的工況點(diǎn)，Q1=Q，即保持離心泵排量不變，但泵的揚(yáng)程由H減少為H1，因此在保證滿足輸油量的情況下，通過削減離心泵楊程節(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。變頻調(diào)速系統(tǒng)基本工作原理均是通過“交-直-交”的逆變過程，改變電機(jī)定子的電壓頻率從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)速（r/min）=頻率（Hz）×120/極數(shù)。

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。通過變頻調(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-A06/040型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于魏荊線更新輸油泵機(jī)組上。該變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)為：

技術(shù)方案：多級模塊串聯(lián)，交直交、高高方式

額定輸入電壓/允許變化范圍：

6kV±10%

系統(tǒng)輸入電壓，6kV

系統(tǒng)輸出電流，40A

逆變側(cè)最高輸出電壓，6kV

額定容量，380kVA

額定輸入頻率/允許變化范圍，50Hz±10%

對電網(wǎng)電壓波動的敏感性，-35%～+15%

輸入側(cè)功率因數(shù)，>0.95（>20%負(fù)載）變頻器效率，>96%

控制方式 ， 多級正弦 PWM控制

控制電源，220VAC 或 380VAC（三相四線制），3KVA

UPS 型式，后備式 1KVA掉電可維持 30分鐘

電機(jī)側(cè)逆變器型式及元件，IGBT 逆變橋 串連

電隔離部分是否采用光纖電纜，采用光纖連接

冷卻方式，強(qiáng)迫風(fēng)冷防護(hù)等級，IP30

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)屬于長輸管線一個(gè)重要樞紐環(huán)節(jié)，長時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，除對設(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)場的工藝特點(diǎn)相結(jié)合，充分考慮現(xiàn)場操作，啟動、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、變頻自動切換功能。一旦變頻系統(tǒng)出現(xiàn)種故障，可以自動切換到工頻檔，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，滿足輸油生產(chǎn)的需要。

（2）系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的調(diào)節(jié)采用閉環(huán)PID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)不宜采用開環(huán)調(diào)節(jié)控制，這樣引起整個(gè)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。本系統(tǒng)采用閉環(huán)PID調(diào)節(jié)方式，可以增大電機(jī)調(diào)速的范圍為1：10，可以使流量與轉(zhuǎn)速之間更為精確計(jì)算配比，并且可減少人為的工作量。

（3）現(xiàn)場設(shè)置、啟動、停止以及緊急停機(jī)按鈕，變頻器的狀態(tài)參數(shù)通過變頻控制器的遠(yuǎn)傳接口傳到控制室內(nèi)上位機(jī)，并對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)行顯示，極大地方便了現(xiàn)場操作人員的操作和對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視。

（4）實(shí)現(xiàn)了原站控系統(tǒng)的信息共享，在站控室顯示高壓變頻裝置的所有參數(shù)、運(yùn)行情況和所有報(bào)警信息。

（5）變頻裝置具有旁路功能，這種功能是一種快速地、自動地切除故障單元而保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的方法。當(dāng)變頻設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，故障報(bào)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，用最短的時(shí)間將變頻設(shè)備進(jìn)行旁路切除，切換到旁路部分，這樣使輸油泵電機(jī)可正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

5 應(yīng)用效果分析

魏荊線改造前，日平均輸量為2771t，魏崗首站年平均有0.69MPa節(jié)流損失，泵平均效率為37%，襄樊泵站平均有0.75MPa節(jié)流損失，泵平均效率為42%；魏荊線改造后，日平均輸量未2844t，魏崗首站平均有約0.01MPa節(jié)流損失，泵平均效率為72%，襄樊站泵出口閥前后平均有約0.01MPa節(jié)流損失，泵平均效率為70%。相關(guān)的其他參數(shù)如表1所示：

由上述實(shí)際運(yùn)行參數(shù)表2可以得出：改造前魏荊線年輸量97×104t/a（折合2771 t/d）時(shí)，單位能耗為3.51kW·h/t，改造后魏荊線年輸量99.5×104t/a（折合2844t/d）時(shí)，單位能耗為1.51kW·h/t，計(jì)算節(jié)電率為57%，按0.7元/kW·h計(jì)算年節(jié)電費(fèi)用為0.7×57%×340=135萬元人民幣。

6 結(jié)論

輸油泵是長輸管道輸油生產(chǎn)運(yùn)行中主要能耗設(shè)備，本文針對魏荊線輸油泵機(jī)組在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中存在節(jié)流損失大、泵效低、能量消耗大等問題，結(jié)合水力學(xué)、離心泵基礎(chǔ)知識、變頻節(jié)能原理，在此次改造中通過設(shè)置高效離心泵對魏荊線輸油泵機(jī)組進(jìn)行更新，并對新增輸油泵采用變頻調(diào)速技術(shù)來滿足運(yùn)行工況要求，最大限度的減少節(jié)流損失，改善了工藝，保證了安全生產(chǎn)。根據(jù)魏荊線輸油泵機(jī)組改造前和改造后現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行節(jié)流損失、效率分析，節(jié)電率為57%，其節(jié)能效果是相當(dāng)顯著的，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 錢錫俊，陳弘.泵和壓縮機(jī).中國石油大學(xué)出版社，2007

作者簡介

王雯雯， 助理工程師， 1986年生， 2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣儲運(yùn)專業(yè)， 獲學(xué)士學(xué)位， 主要從事長距離油氣管道輸送技術(shù)的設(shè)計(jì)工作。