《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高壓變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)在油田輸油泵機(jī)組中的應(yīng)用
摘要: 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)。
Abstract:
Key words :

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,總儲量50×104m3,裝備有5臺輸油泵機(jī)組。輸油泵機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

  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。

 

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”方案中需多一級升壓變壓器,設(shè)備結(jié)構(gòu)龐大,系統(tǒng)效率相對較低,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0~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號
   工控機(jī)與外部通訊接口RS485
   外殼防護(hù)等級≥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(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。

 ?、?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。

 ?、?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。

 ?、?現(xiàn)場設(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)行狀太的監(jiān)視。

 ?、?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。

 ?、?在變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置適合于現(xiàn)場實(shí)際的報(bào)警功能,并對運(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,對比數(shù)據(jù)分別見表3、表4、表5所示。

 

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;
 ?、诙啾貌⒙?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》

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