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高压变频调速节能技术在油田输油泵机组上的应用

大庆油田有限责任公司储运销售分公司马明利

摘要：输油泵是油库生产运行中主要能耗设备。由于泵的特性和管路特性不匹配，在实际运行中需要根据运行工况控制输油泵出口阀门的开度来调节流量，以满足生产工艺的需要。这种流量调节方式在输油泵出口阀门前后产生较大的泵管压差，大量的能源消耗在泵出口阀前后，造成能源的浪费。在南一油库6KV/630KW的KDY750-75×4型输油泵机组上推广应用了一套利德华福公司生产的高压变频调速系统，实现了通过改变输油泵的转速进行不同的工况调节，消除泵管压差而产生的节流损失，降低了输油单耗，节约了电能，改善了工艺。
一、问题的提出
　　大庆油田南一油库主要接收油田两大主力采油厂——采油一厂、采油二厂来油，总储量50×104m3，装备有5台输油泵机组。输油泵机组的主要技术参数见表1。
　　　　　　　　　　　　　表1：南一油库输油泵机组技术参数

泵号	型号	扬程（m）	流量（m3/h）	转数rpm	配套电机
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

　　由于输油泵和输油管道的特性不匹配（在泵选型过程，不可能选择到完全与管路特性匹配的输油泵），在不同的实际运行工况下，需通过调节输油泵出口阀门来调节流量，据统计5台输油泵在单泵、双泵、三泵并联运行，三种不同运行状况下，输油泵阀门出口最大开度不超过10%（超过10%开度时易造成成输油泵电机超过额定电流而导致电机超负荷运行）。造成在输油泵出口阀门的前后存在着较大的泵管压差，泵出口阀门节流损失了大量的能源，输油泵做了大量的无用功，缩短了输油泵机组的维护周期和使用寿命，不同运行工况下输油泵出口阀门前后泵管压差统计情况如表2所示。
　　　　　　　　　　表2：不同运行工况下输油泵出口前后泵、管压差统计
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　单位：MPa

运行工况	1#(2#)单运	1# 2#并联运行	1#3#并联2##并联	3#或4#单台运行	3#和4#并联运行	5#单运	1#2#3#三泵并联
泵出口压力	1.75	1.98	1.85	1.62	1.79	2.05	2.20
汇管压力	0.53	1.21	1.15	0.48	1.10	0.65	1.75
泵出口阀前后压差	1.22	0.77	0.70	1.14	0.69	1.40	0.45

注：上表中数据以南一油库2002年实际运行工况数据统计，表中数据为平均值。
　　由表2可见，南一油库输油泵在单泵、双泵并联、三泵并联几种匹配运行模式下，泵出口阀前后约平均有1.2Mpa、0.7Mpa、0.4Mpa的节流损失。在泵出口阀门前后，三种工况下（单泵、双泵并联、三泵并联）由于泵出口阀节流而产生的节流损失为：
　　N损i=0.278P损iQi
　　式中： N损i：不同工况下的阀门节流损失功率，KW
　　P损i：不同工况下的阀门节流损失压力，Mpa
　　Qi：不同工况下单泵的排量，m3/h
　　N损1=0.278×1.2×750=250KW 250KW/630KW=39.7%
　　N损2=0.278×0.7×700=136KW 36KW/630KW×100%=21.6%
　　N损3=0.278×0.4×640=71KW 71KW/630KW×100%=11.3%
　　由上面计算可知，单泵、双泵并联、三泵并联三种工况下，由于输油泵出口阀门的节流损失占其额定功率的39.7%、21.6%、11.3%。
　　可见，能源的浪费是十分惊人的。因此，有必要在输油泵机组上应用变频调速技术，以达到依据澡同的运行工况，通过变频运行来满足运行工况要求，将泵出口阀全开，避免泵出口阀的节流损失。
二、输油泵机组变频调速节能技术原理
　　根据离心泵的特性，其工况的调节主要是调节流量，而离心泵调节流量最常用的两种方法一是通过调节泵出口阀的开度进行调节，另一种则是通过改变离心泵的转速进行调节，前者虽然调节方便，但造成能源浪费巨大；通过对输油泵电机的变频改变电机的转速，来实现输油泵的工况调节，是因满足工艺运行条件下的一条可行的技术途径。
　　由离心泵的特性可知，在管路特性曲线不变的情况，改变离心泵转速后，其性能参数的改变由下式确定
　　Q / Q！= n/ n1 H /H1=( n/n1 )2 N/N1=(n/n1)3
　　其中：Q、H、N----离心泵转速为n时的流量、扬程、功率；
　　Q1、H1、N1-----离心泵转速改变为n1时的流量、扬程、功率。

　　由以上离心泵转速改变前后的关系式方知，如果离心泵转速有很小的降低，则离心泵所需的输入功率会大幅度地降低，从而产生明显的节能效果，离心泵转速降低在额定转速20%以内时，离心泵的特性曲线的形状与原来相似，如图1所当离心泵转速由n降为n1时，其特性曲线为与原曲线平行的一条曲线，设原管路特性曲线为R，R与H-Q（n）相交于A点，A即为原工况点。在变频状态下，离心泵转速为n1时，其特性曲线为H1-Q1(n1),由于此时泵出口阀被全开，管路特性曲线变为较为平坦的R1（n1），此时R1（n1）与H1-Q1(n1)交于A1点，即为新的工况点，此时Q1=Q，即保持离心泵排量不变，但泵的扬程由H减少为H1，因此在保证满足输油量的情况下，通过削减离心泵杨程节约的能量为HAA1H1的面积。这就是离心输油泵变频节能的原理。
三、高压变频调速系统的选择
　　目前，6KV高压变频调速系统处于技术发展阶段，其基本原理均为通过“交一直一交”的逆变过程，通过改变电机定子的电压频率从而改变电机的转速。高压电机调速的方式从技术实现途径上又可分为“高一低一高”、“高一高”、“IGBT直接串联”等几种方式。其中“高一低一高”方案中需多一级升压变压器，设备结构庞大，系统效率相对较低，属于落后淘汰技术。“高一高“方式直接采用6KV电压输入，6KV输出无须升压变压器，系统效率相对较高，目前该形式变频调速系统应用较多。“IGBT直接串联”型变频器采用1700V高压IGBT原件，具有元件数量少，占地空间小等优点，但由于IGBT元件直接串联从技术性能等方面尚不成熟，在技术上带有一定的风险性。通过充分调研国内外各种6KV变频调速系统的应用情况和进行各种变频调速系统的技术经济性能论证，最终选用北京利德华福公司生产的HARSVERT-A06/076型高压变频调速系统应用于南一油库2#输油泵机组上。该变频调速系统的主要技术参数为：
　　

逆变主回路方式：单元串联多电平
　　

额定容量：790KVA
　　

额定输出电流76A，额定输出电压6KV
　　

输入频率50HZ±10%，输出频率范围0.1HZ～50HZ,输出频率分辨率0.01HZ
　　

输入端功率因数（对于20%额定负载时）>0.95
　　

变频系统效率>96%
　　

过载保护：120%额定电流、1min，150%额定电流3S，200%额定电流立即保护。
　　

加速、减速时间0.1—300可调
　　

谐波控制输入电流<4%，输出电压6%，输出电流2%
　　

控制部分模拟量输入输出信号0～20mA标准信号
　　

工控机与外部通讯接口RS485
　　

外壳防护等级≥IP20
　　

冷却方式：风冷；运行环境温度0～40℃
四、技术方案
　　高压变频调速系统应用输油泵机组固然可产生较好的节能效益，但由于输油系统属于油库生产中的一个重要枢纽环节，长时间连续运转，除对设备本身要求有较高的可靠性之外，在技术方案上必须与现场的工艺特点相结合，充分考虑现场操作，启动、停机，以及调节等诸方面的安全性，适用性和方便性。本系统在应用中采用了以技术措施。
　　① 系统具备工频、变频手动切换功能。一旦变频系统出现种故障，可以手动切换到工频档，将变频系统甩开，在变频系统维修期间可正常保障输油泵的运行，满足油库生产的需要。
　　② 系统的运转频率的调节采用开环手动调节方式。考虑到输油系统要求安全平稳运行的特点，本系统不宜采用闭环调节控制。因为受整个输油系统管网波动的影响，如采用闭环控制，很容易造成系统的自动停机，或者引起整个输油系统的扰动，给输油生产的调度指挥带来不利的影响。而采用开环人为控制，通过一定运行时间的技术摸索，在不同工况下，人为地设定和调整变频系统的参数，即可减少部分初期投资，又可保障输油系统的安全平稳运行。
　　③ 现场设置、启动、停止以及紧急停机按钮，控制室内设上位机对运行参数进行实行显示，极大地方便了现场操作人员的操作和对设备运行状太的监视。
　　④ 优化系统的保护参数，确保输油系统的连续平稳运行。在应用于输油系统时必须慎重选择，并对一些保护的参数按实际需要进行设置。避免由于变频系统的保护过于灵敏而而造成输油泵停机，影响输油系统的安全平稳运行。
　　⑤ 在变频调速系统内设置适合于现场实际的报警功能，并对运行的参数，操作情况，故障情况具有详细的记录功能。
五、应用效果
　　南一油库2#输油泵机组变频调速系统于2003年4月18号正式投运成功，经过两个月的试运行，取得了明显的节能效果，对于在单泵运行，双泵并联运行、三泵并联运行等不同的工况下，对比数据分别见表3、表4、表5所示。
　　　　　　　　　　　　表3：单泵（2#泵单运）变频前后运行数据对比

时间	泵压MPa	管压MPa	泵管压差MPa	电机电流 A	频率HZ	转速rpm	排量t/h	日耗电KWh	输油单耗kWh/t	节电率%
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：双泵（2#泵与1#泵匹配运行）变频前后运行数据对比

时间	泵压MPa	管压MPa	泵管压差MPa	电机电流A	频率HZ	转速rpm	排量t/h	日耗电KWh	输油单耗kWh/t	节电率%
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#匹配运行）变频前后运行数据对比

时间	泵压MPa	管压MPa	泵管压差 MPa	电机电流A	频率HZ	转速rpm	排量t/h	日耗电KWh	输油单耗kWh/t	节电率 %
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中数据为按当月同种工况下统计的数据的平均值；
　　②多泵并联运行工况下，其单泵排量无分支计量装置，由于其额定排量相同，其排量按当天输量÷　　　24h÷运行台数而计算得出。
　　由表3、表4、表5的统计数据可知，在不同的运行工况下，由于2#输油泵变频调速运行，可以产生明显的节电效益，2#泵单泵运行时与原来同种工况下相比节电率达48.6%,2#与1#泵匹配运行时节电率达41.7%，2#与1#、3#三泵匹配并联运行时节电率达38.8%。据历年运行数据统计，南一油库单泵运行时间占总运行时间的30%，双泵运行时间占总运行时间的55%，三泵并联运行占总运行时间的15%左右，据此可计算若2#输油泵机组在全年运行状况下，与未实施变频调速前相比，综合节电率为43.3%，若按每年运行350天计算，年可节电约216.7×104KWh，按6KV工业电价0.465元/KWh计，年可产生节电效益100万元，一年可基本回收设备投资。
　　此外，由于采用变频系统对输油泵机组进行软启软停，减少了启动过程中的冲击，延长了输油泵的保养维护周期，由于变频后与原来相比在较低转速下运行，泵轴、轴承的磨损程度减少，以轴承为例，变频前2#泵正常转时轴承温度达85℃～90℃,而变频运行时轴承温度仅为60℃～65℃，这将大大延长输油泵的轴承，机械密封等易损件的寿命，同时运行时噪音降低，因此，除取得显著直接经济效益外，还具有较好的间接经济效益。
六、结束语
　　输油泵机组高压变频调速节能技术是实现输油系统节能的有效技术途径，它将阀门节流工况调节方式改为输油离心泵的转速改变来调节工况的方式，具有调节方便的特点，泵出阀全开，有效地避免了输油泵出口阀的节流损失，产生巨大的工能效益，同时还具有较好的减少输油泵机组的机械冲击，摩损和噪音延长输油泵机组的维护保养周期及使用寿命等方面的间接经济效益。但由于高压变频调速系统目前处于技术发展阶段，且初期投资高，因此必须选用可靠性高，性能价格比好，已有广泛应用基础的高压变频装置，应用于输油系统，应用过程中必须紧密地现场工艺状况结全，选择适当的调速控制方式，才能在取得明显节能效益的基础上，保证输油系统的安全平稳运行。

参考文献：
　　《输油管道节能技术概论》茹慧灵主编，北京：石油工业出版社，2000
　　《HARSVERT-A高压变频器技术手册》

作者简介：
　　马明利，男，1967年生，高级工程师，1990毕业于西南石油学院，2004年毕业于东南大学，获硕士学位，现在大庆油田有限责任公司储运销售分公司从事油库储运技术管理工作。

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