高壓變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)在油田輸油泵機(jī)組上的應(yīng)用 
摘要：輸油泵是油庫生產(chǎn)運(yùn)行中主要能耗設(shè)備。由于泵的特性和管路特性不匹配，在實(shí)際運(yùn)行中需要根據(jù)運(yùn)行工況控制輸油泵出口閥門的開度來調(diào)節(jié)流量，以滿足生產(chǎn)工藝的需要。這種流量調(diào)節(jié)方式在輸油泵出口閥門前后產(chǎn)生較大的泵管壓差，大量的能源消耗在泵出口閥前后，造成能源的浪費(fèi)。在南一油庫6KV/630KW的KDY750-75×4型輸油泵機(jī)組上推廣應(yīng)用了一套利德華福公司生產(chǎn)的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通過改變輸油泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行不同的工況調(diào)節(jié)，消除泵管壓差而產(chǎn)生的節(jié)流損失，降低了輸油單耗，節(jié)約了電能，改善了工藝。  
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(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。  
 　　　　　　　　　　　　　表1：南一油庫輸油泵機(jī)組技術(shù)參數(shù)  
 泵號(hào) 型號(hào) 揚(yáng)程（m） 流量（m3/h） 轉(zhuǎn)數(shù)rpm 配套電機(jī) 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）。造成在輸油泵出口閥門的前后存在著較大的泵管壓差，泵出口閥門節(jié)流損失了大量的能源，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。  
 　　　　　　　　　　表2：不同運(yùn)行工況下輸油泵出口前后泵、管壓差統(tǒng)計(jì)  
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　單位：MPa 
 運(yùn)行工況 1#(2#)單運(yùn) 1# 2#并聯(lián)運(yùn)行 1#3#并聯(lián)2##并聯(lián) 3#或4#單臺(tái)運(yùn)行 3#和4#并聯(lián)運(yùn)行 5#單運(yùn) 1#2#3#三泵并聯(lián) 泵出口壓力 1.75 1.98 1.85 1.62 1.79 2.05 2.20 匯管壓力 0.53 1.21 1.15 0.48 1.10 0.65 1.75 泵出口閥前后壓差 1.22 0.77 0.70 1.14 0.69 1.40 0.45  
注：上表中數(shù)據(jù)以南一油庫2002年實(shí)際運(yùn)行工況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，表中數(shù)據(jù)為平均值。 
　　由表2可見，南一油庫輸油泵在單泵、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： 
　　N損i=0.278P損iQi 
　　式中： N損i：不同工況下的閥門節(jié)流損失功率，KW 
　　P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 
　　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(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)澡同的運(yùn)行工況，通過變頻運(yùn)行來滿足運(yùn)行工況要求，將泵出口閥全開，避免泵出口閥的節(jié)流損失。 
二、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)，是因滿足工藝運(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 / Q！= 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(huì)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)泵出口閥被全開，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)，此時(shí)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。 
三、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)。“高一高“方式直接采用6KV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。“IGBT直接串聯(lián)”型變頻器采用1700V高壓IGBT原件，具有元件數(shù)量少，占地空間小等優(yōu)點(diǎn)，但由于IGBT元件直接串聯(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)性能論證，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： 
　　 逆變主回路方式：單元串聯(lián)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%，輸出頻率范圍0.1HZ～50HZ,輸出頻率分辨率0.01HZ 
　　 輸入端功率因數(shù)（對(duì)于20%額定負(fù)載時(shí)）>0.95 
　　 變頻系統(tǒng)效率>96% 
　　 過載保護(hù)：120%額定電流、1min，150%額定電流3S，200%額定電流立即保護(hù)。 
　　 加速、減速時(shí)間0.1—300可調(diào) 
　　 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信號(hào)0～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 
　　 工控機(jī)與外部通訊接口RS485

 外殼防護(hù)等級(jí)≥IP20 
　　 冷卻方式：風(fēng)冷；運(yùn)行環(huán)境溫度0～40℃ 
四、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)屬于油庫生產(chǎn)中的一個(gè)重要樞紐環(huán)節(jié)，長時(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)用中采用了以技術(shù)措施。 
　?、?nbsp;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)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，滿足油庫生產(chǎn)的需要。 
　?、?nbsp;系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的調(diào)節(jié)采用開環(huán)手動(dòng)調(diào)節(jié)方式?？紤]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)人為控制，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)，即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)行顯示，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)行狀太的監(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，故障情況具有詳細(xì)的記錄功能。 
五、應(yīng)用效果 
　　南一油庫2#輸油泵機(jī)組變頻調(diào)速系統(tǒng)于2003年4月18號(hào)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。 
 　　　　　　　　　　　　表3：單泵（2#泵單運(yùn)）變頻前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比  
 時(shí)間 泵壓MPa 管壓MPa 泵管壓差MPa 電機(jī)電流 A 頻率HZ 轉(zhuǎn)速rpm 排量t/h 日耗電KWh 輸油單耗kWh/t 節(jié)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(yùn)行）變頻前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比  
 時(shí)間 泵壓MPa 管壓MPa 泵管壓差MPa 電機(jī)電流A 頻率HZ 轉(zhuǎn)速rpm 排量t/h 日耗電KWh 輸油單耗kWh/t 節(jié)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(yùn)行）變頻前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比 
 時(shí)間 泵壓MPa 管壓MPa 泵管壓差 
 MPa 電機(jī)電流A 頻率HZ 轉(zhuǎn)速rpm 排量t/h 日耗電KWh 輸油單耗kWh/t 節(jié)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(shù)據(jù)為按當(dāng)月同種工況下統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)的平均值； 
　　②多泵并聯(lián)運(yùn)行工況下，其單泵排量無分支計(jì)量裝置，由于其額定排量相同，其排量按當(dāng)天輸量÷　　　24h÷運(yùn)行臺(tái)數(shù)而計(jì)算得出。 
　　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)算若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。 
六、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)生巨大的工能效益，同時(shí)還具有較好的減少輸油泵機(jī)組的機(jī)械沖擊，摩損和噪音延長輸油泵機(jī)組的維護(hù)保養(yǎng)周期及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)用過程中必須緊密地現(xiàn)場(chǎng)工藝狀況結(jié)全，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)： 
　　 《輸油管道節(jié)能技術(shù)概論》茹慧靈主編，北京：石油工業(yè)出版社，2000 
　　 《HARSVERT-A高壓變頻器技術(shù)手冊(cè)》 

作者簡介： 
　　馬明利，男，1967年生，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)在大慶油田有限責(zé)任公司儲(chǔ)運(yùn)銷售分公司從事油庫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)管理工作。 
（摘自利德華福網(wǎng)站）