高壓變頻調速節能技術在油田輸油泵機組上的應用
摘要：輸油泵是油庫生產運行中主要能耗設備。由於泵的(de)特(te)性(xing)和(he)管(guan)路(lu)特(te)性(xing)不(bu)匹(pi)配(pei)，在(zai)實(shi)際(ji)運(yun)行(xing)中(zhong)需(xu)要(yao)根(gen)據(ju)運(yun)行(xing)工(gong)況(kuang)控(kong)製(zhi)輸(shu)油(you)泵(beng)出(chu)口(kou)閥(fa)門(men)的(de)開(kai)度(du)來(lai)調(tiao)節(jie)流(liu)量(liang)，以(yi)滿(man)足(zu)生(sheng)產(chan)工(gong)藝(yi)的(de)需(xu)要(yao)。這(zhe)種(zhong)流(liu)量(liang)調(tiao)節(jie)方(fang)式(shi)在(zai)輸(shu)油(you)泵(beng)出(chu)口(kou)閥(fa)門(men)前(qian)後(hou)產(chan)生(sheng)較(jiao)大(da)的(de)泵(beng)管(guan)壓(ya)差(cha)，大(da)量(liang)的(de)能(neng)源(yuan)消(xiao)耗(hao)在(zai)泵(beng)出(chu)口(kou)閥(fa)前(qian)後(hou)，造(zao)成(cheng)能(neng)源(yuan)的(de)浪(lang)費(fei)。在(zai)南(nan)一(yi)油(you)庫(ku)6KV/630KW的KDY750-75×4型xing輸shu油you泵beng機ji組zu上shang推tui廣guang應ying用yong了le一yi套tao利li德de華hua福fu公gong司si生sheng產chan的de高gao壓ya變bian頻pin調tiao速su係xi統tong，實shi現xian了le通tong過guo改gai變bian輸shu油you泵beng的de轉zhuan速su進jin行xing不bu同tong的de工gong況kuang調tiao節jie，消xiao除chu泵beng管guan壓ya差cha而er產chan生sheng的de節jie流liu損sun失shi，降jiang低di了le輸shu油you單dan耗hao，節jie約yue了le電dian能neng，改gai善shan了le工gong藝yi。
一、問題的提出
大慶油田南一油庫主要接收油田兩大主力采油廠——采油一廠、采油二廠來油，總儲量50×104m3，裝備有5台輸油泵機組。輸油泵機組的主要技術參數見表1。
表1：南一油庫輸油泵機組技術參數
泵號 型號 揚程（m） 流量（m3/h） 轉數rpm 配套電機 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
由於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），在不同的實際運行工況下，需通過調節輸油泵出口閥門來調節流量，據統計5台輸油泵在單泵、雙泵、三泵並聯運行，三種不同運行狀況下，輸油泵閥門出口最大開度不超過10%（超過10%開度時易造成成輸油泵電機超過額定電流而導致電機超負荷運行）。造(zao)成(cheng)在(zai)輸(shu)油(you)泵(beng)出(chu)口(kou)閥(fa)門(men)的(de)前(qian)後(hou)存(cun)在(zai)著(zhe)較(jiao)大(da)的(de)泵(beng)管(guan)壓(ya)差(cha)，泵(beng)出(chu)口(kou)閥(fa)門(men)節(jie)流(liu)損(sun)失(shi)了(le)大(da)量(liang)的(de)能(neng)源(yuan)，輸(shu)油(you)泵(beng)做(zuo)了(le)大(da)量(liang)的(de)無(wu)用(yong)功(gong)，縮(suo)短(duan)了(le)輸(shu)油(you)泵(beng)機(ji)組(zu)的(de)維(wei)護(hu)周(zhou)期(qi)和(he)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)，不(bu)同(tong)運(yun)行(xing)工(gong)況(kuang)下(xia)輸(shu)油(you)泵(beng)出(chu)口(kou)閥(fa)門(men)前(qian)後(hou)泵(beng)管(guan)壓(ya)差(cha)統(tong)計(ji)情(qing)況(kuang)如(ru)表(biao)2所示。
表2：不同運行工況下輸油泵出口前後泵、管壓差統計
單位：MPa
運行工況 1#(2#)單運 1# 2#並聯運行 1#3#並聯2##並聯 3#或4#單台運行 3#和4#並聯運行 5#單運 1#2#3#三泵並聯 泵出口壓力 1.75 1.98 1.85 1.62 1.79 2.05 2.20 彙管壓力 0.53 1.21 1.15 0.48 1.10 0.65 1.75 泵出口閥前後壓差 1.22 0.77 0.70 1.14 0.69 1.40 0.45
注：上表中數據以南一油庫2002年實際運行工況數據統計，表中數據為平均值。
由表2可見，南一油庫輸油泵在單泵、雙泵並聯、三泵並聯幾種匹配運行模式下，泵出口閥前後約平均有1.2Mpa、0.7Mpa、0.4Mpa的節流損失。在泵出口閥門前後，三種工況下（單泵、雙泵並聯、三泵並聯）由於泵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：不同工況下單泵的排量，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%
由上麵計算可知，單泵、雙泵並聯、三泵並聯三種工況下，由於輸油泵出口閥門的節流損失占其額定功率的39.7%、21.6%、11.3%。
可(ke)見(jian)，能(neng)源(yuan)的(de)浪(lang)費(fei)是(shi)十(shi)分(fen)驚(jing)人(ren)的(de)。因(yin)此(ci)，有(you)必(bi)要(yao)在(zai)輸(shu)油(you)泵(beng)機(ji)組(zu)上(shang)應(ying)用(yong)變(bian)頻(pin)調(tiao)速(su)技(ji)術(shu)，以(yi)達(da)到(dao)依(yi)據(ju)澡(zao)同(tong)的(de)運(yun)行(xing)工(gong)況(kuang)，通(tong)過(guo)變(bian)頻(pin)運(yun)行(xing)來(lai)滿(man)足(zu)運(yun)行(xing)工(gong)況(kuang)要(yao)求(qiu)，將(jiang)泵(beng)出(chu)口(kou)閥(fa)全(quan)開(kai)，避(bi)免(mian)泵出口閥的節流損失。
二、輸油泵機組變頻調速節能技術原理
根(gen)據(ju)離(li)心(xin)泵(beng)的(de)特(te)性(xing)，其(qi)工(gong)況(kuang)的(de)調(tiao)節(jie)主(zhu)要(yao)是(shi)調(tiao)節(jie)流(liu)量(liang)，而(er)離(li)心(xin)泵(beng)調(tiao)節(jie)流(liu)量(liang)最(zui)常(chang)用(yong)的(de)兩(liang)種(zhong)方(fang)法(fa)一(yi)是(shi)通(tong)過(guo)調(tiao)節(jie)泵(beng)出(chu)口(kou)閥(fa)的(de)開(kai)度(du)進(jin)行(xing)調(tiao)節(jie)，另(ling)一(yi)種(zhong)則(ze)是(shi)通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)離(li)心(xin)泵(beng)的(de)轉(zhuan)速(su)進(jin)行(xing)調(tiao)節(jie)，前(qian)者(zhe)雖(sui)然(ran)調(tiao)節(jie)方(fang)便(bian)，但(dan)造(zao)成(cheng)能(neng)源(yuan)浪(lang)費(fei)巨(ju)大(da)；通過對輸油泵電機的變頻改變電機的轉速，來實現輸油泵的工況調節，是因滿足工藝運行條件下的一條可行的技術途徑。
由離心泵的特性可知，在管路特性曲線不變的情況，改變離心泵轉速後，其性能參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----離心泵轉速為n時的流量、揚程、功率；
Q1、H1、N1-----離心泵轉速改變為n1時的流量、揚程、功率。
由(you)以(yi)上(shang)離(li)心(xin)泵(beng)轉(zhuan)速(su)改(gai)變(bian)前(qian)後(hou)的(de)關(guan)係(xi)式(shi)方(fang)知(zhi)，如(ru)果(guo)離(li)心(xin)泵(beng)轉(zhuan)速(su)有(you)很(hen)小(xiao)的(de)降(jiang)低(di)，則(ze)離(li)心(xin)泵(beng)所(suo)需(xu)的(de)輸(shu)入(ru)功(gong)率(lv)會(hui)大(da)幅(fu)度(du)地(di)降(jiang)低(di)，從(cong)而(er)產(chan)生(sheng)明(ming)顯(xian)的(de)節(jie)能(neng)效(xiao)果(guo)，離(li)心(xin)泵(beng)轉(zhuan)速(su)降(jiang)低(di)在(zai)額(e)定(ding)轉(zhuan)速(su)20%以內時，離心泵的特性曲線的形狀與原來相似，如圖1所當離心泵轉速由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，離心泵轉速為n1時，其特性曲線為H1-Q1(n1),由於此時泵出口閥被全開，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，即保持離心泵排量不變，但泵的揚程由H減少為H1，因此在保證滿足輸油量的情況下，通過削減離心泵楊程節約的能量為HAA1H1的麵積。這就是離心輸油泵變頻節能的原理。
三、高壓變頻調速係統的選擇
目前，6KV高壓變頻調速係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”方案中需多一級升壓變壓器，設備結構龐大，係統效率相對較低，屬於落後淘汰技術。“高一高“方式直接采用6KV電壓輸入，6KV輸出無須升壓變壓器，係統效率相對較高，目前該形式變頻調速係統應用較多。“IGBT直接串聯”型變頻器采用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性能等方麵尚不成熟，在技術上帶有一定的風險性。通過充分調研國內外各種6KV變頻調速係統的應用情況和進行各種變頻調速係統的技術經濟性能論證，最終選用北京利德華福公司生產的HARSVERT-A06/076型高壓變頻調速係統應用於南一油庫2#輸油泵機組上。該變頻調速係統的主要技術參數為：
逆變主回路方式：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,輸出頻率分辨率0.01HZ
輸入端功率因數（對於20%額定負載時）>0.95
變頻係統效率>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
諧波控製輸入電流<4%，輸出電壓6%，輸出電流2%
控製部分模擬量輸入輸出信號0～20mA標準信號
工控機與外部通訊接口RS485
外殼防護等級≥IP20
冷卻方式：風冷；運行環境溫度0～40℃
四、技術方案
gaoyabianpintiaosuxitongyingyongshuyoubengjizugurankechanshengjiaohaodejienengxiaoyi，danyouyushuyouxitongshuyuyoukushengchanzhongdeyigezhongyaoshuniuhuanjie，changshijianlianxuyunzhuan，chuduishebeibenshenyaoqiuyoujiaogaodekekaoxingzhiwai，zaijishufanganshangbixuyuxianchangdegongyitedianxiangjiehe，chongfenkaolvxianchangcaozuo，qidong、停機，以及調節等諸方麵的安全性，適用性和方便性。本係統在應用中采用了以技術措施。
① 係統具備工頻、變(bian)頻(pin)手(shou)動(dong)切(qie)換(huan)功(gong)能(neng)。一(yi)旦(dan)變(bian)頻(pin)係(xi)統(tong)出(chu)現(xian)種(zhong)故(gu)障(zhang)，可(ke)以(yi)手(shou)動(dong)切(qie)換(huan)到(dao)工(gong)頻(pin)檔(dang)，將(jiang)變(bian)頻(pin)係(xi)統(tong)甩(shuai)開(kai)，在(zai)變(bian)頻(pin)係(xi)統(tong)維(wei)修(xiu)期(qi)間(jian)可(ke)正(zheng)常(chang)保(bao)障(zhang)輸(shu)油(you)泵(beng)的(de)運(yun)行(xing)，滿(man)足(zu)油(you)庫(ku)生(sheng)產(chan)的(de)需(xu)要(yao)。
② 係xi統tong的de運yun轉zhuan頻pin率lv的de調tiao節jie采cai用yong開kai環huan手shou動dong調tiao節jie方fang式shi。考kao慮lv到dao輸shu油you係xi統tong要yao求qiu安an全quan平ping穩wen運yun行xing的de特te點dian，本ben係xi統tong不bu宜yi采cai用yong閉bi環huan調tiao節jie控kong製zhi。因yin為wei受shou整zheng個ge輸shu油you係xi統tong管guan網wang波bo動dong的de影ying響xiang，如ru采cai用yong閉bi環huan控kong製zhi，很hen容rong易yi造zao成cheng係xi統tong的de自zi動dong停ting機ji，或huo者zhe引yin起qi整zheng個ge輸shu油you係xi統tong的de擾rao動dong，給gei輸shu油you生sheng產chan的de調tiao度du指zhi揮hui帶dai來lai不bu利li的de影ying響xiang。而er采cai用yong開kai環huan人ren為wei控kong製zhi，通tong過guo一yi定ding運yun行xing時shi間jian的de技ji術shu摸mo索suo，在zai不bu同tong工gong況kuang下xia，人ren為wei地di設she定ding和he調tiao整zheng變bian頻pin係xi統tong的de參can數shu，即ji可ke減jian少shao部bu分fen初chu期qi投tou資zi，又you可ke保bao障zhang輸shu油you係xi統tong的de安an全quan平ping穩wen運yun行xing。
③ 現場設置、啟動、停止以及緊急停機按鈕，控製室內設上位機對運行參數進行實行顯示，極大地方便了現場操作人員的操作和對設備運行狀太的監視。
④ youhuaxitongdebaohucanshu，quebaoshuyouxitongdelianxupingwenyunxing。zaiyingyongyushuyouxitongshibixushenzhongxuanze，bingduiyixiebaohudecanshuanshijixuyaojinxingshezhi。bimianyouyubianpinxitongdebaohuguoyulingminererzaochengshuyou泵停機，影響輸油係統的安全平穩運行。
⑤ 在變頻調速係統內設置適合於現場實際的報警功能，並對運行的參數，操作情況，故障情況具有詳細的記錄功能。
五、應用效果
南一油庫2#輸油泵機組變頻調速係統於2003年4月18號正式投運成功，經過兩個月的試運行，取得了明顯的節能效果，對於在單泵運行，雙泵並聯運行、三泵並聯運行等不同的工況下，對比數據分別見表3、表4、表5所示。
表3：單泵（2#泵單運）變頻前後運行數據對比
時間 泵壓MPa 管壓MPa 泵管壓差MPa 電機電流 A 頻率HZ 轉速rpm 排量t/h 日耗電KWh 輸油單耗kWh/t 節電率% 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：雙泵（2#泵與1#泵匹配運行）變頻前後運行數據對比
時間 泵壓MPa 管壓MPa 泵管壓差MPa 電機電流A 頻率HZ 轉速rpm 排量t/h 日耗電KWh 輸油單耗kWh/t 節電率% 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#匹配運行）變頻前後運行數據對比
時間 泵壓MPa 管壓MPa 泵管壓差
MPa 電機電流A 頻率HZ 轉速rpm 排量t/h 日耗電KWh 輸油單耗kWh/t 節電率
% 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中數據為按當月同種工況下統計的數據的平均值；
②多泵並聯運行工況下，其單泵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÷運行台數而計算得出。
由表3、表4、表5的統計數據可知，在不同的運行工況下，由於2#輸油泵變頻調速運行，可以產生明顯的節電效益，2#泵單泵運行時與原來同種工況下相比節電率達48.6%,2#與1#泵匹配運行時節電率達41.7%，2#與1#、3#三泵匹配並聯運行時節電率達38.8%。據曆年運行數據統計，南一油庫單泵運行時間占總運行時間的30%，雙泵運行時間占總運行時間的55%，三泵並聯運行占總運行時間的15%左右，據此可計算若2#輸油泵機組在全年運行狀況下，與未實施變頻調速前相比，綜合節電率為43.3%，若按每年運行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，一年可基本回收設備投資。
ciwai，youyucaiyongbianpinxitongduishuyoubengjizujinxingruanqiruanting，jianshaoleqidongguochengzhongdechongji，yanchangleshuyoubengdebaoyangweihuzhouqi，youyubianpinhouyuyuanlaixiangbizaijiaodizhuansuxiayunxing，bengzhou、軸承的磨損程度減少，以軸承為例，變頻前2#泵正常轉時軸承溫度達85℃～90℃,而變頻運行時軸承溫度僅為60℃～65℃，zhejiangdadayanchangshuyoubengdezhoucheng，jixiemifengdengyisunjiandeshouming，tongshiyunxingshizaoyinjiangdi，yinci，chuqudexianzhuzhijiejingjixiaoyiwai，haijuyoujiaohaodejianjiejingjixiaoyi。
六、結束語
輸(shu)油(you)泵(beng)機(ji)組(zu)高(gao)壓(ya)變(bian)頻(pin)調(tiao)速(su)節(jie)能(neng)技(ji)術(shu)是(shi)實(shi)現(xian)輸(shu)油(you)係(xi)統(tong)節(jie)能(neng)的(de)有(you)效(xiao)技(ji)術(shu)途(tu)徑(jing)，它(ta)將(jiang)閥(fa)門(men)節(jie)流(liu)工(gong)況(kuang)調(tiao)節(jie)方(fang)式(shi)改(gai)為(wei)輸(shu)油(you)離(li)心(xin)泵(beng)的(de)轉(zhuan)速(su)改(gai)變(bian)來(lai)調(tiao)節(jie)工(gong)況(kuang)的(de)方(fang)式(shi)，具(ju)有(you)調(tiao)節(jie)方(fang)便(bian)的(de)特(te)點(dian)，泵(beng)出(chu)閥(fa)全(quan)開(kai)，有(you)效(xiao)地(di)避(bi)免(mian)了(le)輸(shu)油(you)泵(beng)出(chu)口(kou)閥(fa)的(de)節(jie)流(liu)損(sun)失(shi)，產(chan)生(sheng)巨(ju)大(da)的(de)工(gong)能(neng)效(xiao)益(yi)，同(tong)時(shi)還(hai)具(ju)有(you)較(jiao)好(hao)的(de)減(jian)少(shao)輸(shu)油(you)泵(beng)機(ji)組(zu)的(de)機械衝chong擊ji，摩mo損sun和he噪zao音yin延yan長chang輸shu油you泵beng機ji組zu的de維wei護hu保bao養yang周zhou期qi及ji使shi用yong壽shou命ming等deng方fang麵mian的de間jian接jie經jing濟ji效xiao益yi。但dan由you於yu高gao壓ya變bian頻pin調tiao速su係xi統tong目mu前qian處chu於yu技ji術shu發fa展zhan階jie段duan，且qie初chu期qi投tou資zi高gao，因yin此ci必bi須xu選xuan用yong可ke靠kao性xing高gao，性xing能neng價jia格ge比bi好hao，已yi有you廣guang泛fan應ying用yong基ji礎chu的de高gao壓ya變bian頻pin裝zhuang置zhi，應ying用yong於yu輸shu油you係xi統tong，應ying用yong過guo程cheng中zhong必bi須xu緊jin密mi地di現xian場chang工gong藝yi狀zhuang況kuang結jie全quan，選xuan擇ze適shi當dang的de調tiao速su控kong製zhi方fang式shi，才cai能neng在zai取qu得de明ming顯xian節jie能neng效xiao益yi的de基ji礎chu上shang，保bao證zheng輸shu油you係xi統tong的de安an全quan平ping穩wen運yun行xing。
參考文獻：
《輸油管道節能技術概論》茹慧靈主編，北京：石油工業出版社，2000
《HARSVERT-A高壓變頻器技術手冊》
作者簡介：
馬明利，男，1967年生，高級工程師 ，1990畢業於西南石油學院，2004年畢業於東南大學，獲碩士學位，現在大慶油田有限責任公司儲運銷售分公司從事油庫儲運技術管理工作。
（摘自利德華福網站）