王雯雯 張春 嚴建鋒

【摘要】魏荊線輸油管道由于常年在超低輸量下運行，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組更新改造并引進高壓變頻調速系統(tǒng)，實現(xiàn)不同工況的流量調節(jié)，最大限度的降低能量消耗，節(jié)約了電能。

【關鍵詞】魏荊線 輸油泵 變頻技術 節(jié)能

1 引言

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

根據(jù)中石化系統(tǒng)原油流向調整的需要，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組（在魏崗首站、襄樊泵站各設置Q=170m³/h H=370m N=355KW 高效輸油泵機組2臺，1用1備），同時采用在魏崗、襄樊站各設置1套北京利德福公司生產的HARSVERT—A06/040型高壓變頻調速系統(tǒng)，最大限度的減少節(jié)流損失。

2 輸油泵機組變頻調速系統(tǒng)

根據(jù)離心泵的特性，其工況調節(jié)主要是調節(jié)流量，而離心泵調節(jié)流量最常用的兩種方法：一是通過調節(jié)泵出口閥的開度進行調節(jié)，另一種則是通過改變離心泵的轉速進行調節(jié)，前者雖然調節(jié)方便，但能源浪費嚴重；通過對輸油泵電機的變頻改變電機的轉速，來實現(xiàn)輸油泵的工況調節(jié)，是滿足工藝運行條件下的一條經(jīng)濟可行的技術途徑。

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—離心泵轉速為n時的流量、揚程、功率；

Q1、H1、N1—離心泵轉速改變?yōu)閚1時的流量、揚程、功率。

由以上離心泵轉速改變前后的關系式方知，如果離心泵轉速有很小的降低，則離心泵所需的輸入功率會大幅度地降低，從而產生明顯的節(jié)能效果，離心泵轉速降低在額定轉速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）相交于A點，A即為原工況點。在變頻狀態(tài)下，離心泵轉速為n1時，其特性曲線為H1-Q1（n1），由于此時泵出口閥全開，管路特性曲線變?yōu)檩^為平坦的R1（n1），此時R1（n1）與H1-Q1（n1）交于A1點，即為新的工況點，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(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，改變電機定子的電壓頻率從而改變電機的轉速，即轉速（r/min）=頻率（Hz）×120/極數(shù)。

3 高壓變頻調速系統(tǒng)的選擇

目前，6KV高壓變頻調速系統(tǒng)處于技術發(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(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。通過變頻調速系統(tǒng)的技術經(jīng)濟性能論證，最終選用北京利德華福公司生產的HARSVERT-A06/040型高壓變頻調速系統(tǒng)應用于魏荊線更新輸油泵機組上。該變頻調速系統(tǒng)的主要技術參數(shù)為：

技術方案：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%

輸入側功率因數(shù)，>0.95（>20%負載）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

電機側逆變器型式及元件，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，強迫風冷防護等級，IP30

4 技術方案

高壓變頻調速系統(tǒng)應用輸油泵機組固然可產生較好的節(jié)能效益，但由于輸油系統(tǒng)屬于長輸管線一個重要樞紐環(huán)節(jié)，長時間連續(xù)運轉，除對設備本身要求有較高的可靠性之外，在技術方案上必須與現(xiàn)場的工藝特點相結合，充分考慮現(xiàn)場操作，啟動、停機，以及調節(jié)等諸方面的安全性，適用性和方便性。本系統(tǒng)在應用中采用了以下技術措施：

（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行，滿足輸油生產的需要。

（2）系統(tǒng)的運轉頻率的調節(jié)采用閉環(huán)PID調節(jié)方式?？紤]到輸油系統(tǒng)要求安全平穩(wěn)運行的特點，本系統(tǒng)不宜采用開環(huán)調節(jié)控制，這樣引起整個輸油系統(tǒng)的擾動，給輸油生產的調度指揮帶來不利的影響。本系統(tǒng)采用閉環(huán)PID調節(jié)方式，可以增大電機調速的范圍為1：10，可以使流量與轉速之間更為精確計算配比，并且可減少人為的工作量。

（3）現(xiàn)場設置、啟動、停止以及緊急停機按鈕，變頻器的狀態(tài)參數(shù)通過變頻控制器的遠傳接口傳到控制室內上位機，并對運行參數(shù)進行實行顯示，極大地方便了現(xiàn)場操作人員的操作和對設備運行狀態(tài)的監(jiān)視。

（4）實現(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)、運行情況和所有報警信息。

（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)正常運行的方法。當變頻設備出現(xiàn)故障時，故障報警信號經(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，用最短的時間將變頻設備進行旁路切除，切換到旁路部分，這樣使輸油泵電機可正常運轉。

5 應用效果分析

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%。相關的其他參數(shù)如表1所示：

由上述實際運行參數(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，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，單位能耗為1.51kW·h/t，計算節(jié)電率為57%，按0.7元/kW·h計算年節(jié)電費用為0.7×57%×340=135萬元人民幣。

6 結論

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

參考文獻

[1] 錢錫俊，陳弘.泵和壓縮機.中國石油大學出版社，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（華東）油氣儲運專業(yè)， 獲學士學位， 主要從事長距離油氣管道輸送技術的設計工作。