摘 要：在魯寧線長(zhǎng)輸管道生產(chǎn)運(yùn)行中，由于一期二期輸油泵的參數(shù)特性有差別，造成輸油泵出口閥門前后產(chǎn)生較大的泵匯管壓差，大量的能源消耗在泵出口閥前后，造成能源的浪費(fèi)。推廣應(yīng)用了一套高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，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。 關(guān)鍵詞：輸油泵；高壓變頻調(diào)速；節(jié)能 1 輸油泵的損失 魯寧線主要是將勝利油和進(jìn)口油由山東臨邑輸送至江蘇儀征，管徑720mm，設(shè)計(jì)年輸送能力2000×104t，共有12個(gè)輸油站，有43臺(tái)輸油泵機(jī)組，三泵串聯(lián)運(yùn)行。一期改造與二期改造所選輸油泵的型號(hào)不同。輸油泵機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。 由于兩種型號(hào)輸油泵的差異造成上下站輸油管道的特性不匹配，在全線基本相同的輸量下特別是在全線密閉輸送的情況下，需通過(guò)調(diào)節(jié)輸油泵出口閥門來(lái)調(diào)節(jié)流量（3 泵串聯(lián)運(yùn)行，前兩臺(tái)泵的出口閥全開(kāi)，利用第3臺(tái)泵的出口閥來(lái)調(diào)節(jié)出站壓力），第3臺(tái)輸油泵閥門出口閥前后壓差一般為1.29MPa、站內(nèi)節(jié)流1.48MPa。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(wú)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。 由表2可見(jiàn)，寧陽(yáng)、泗洪站3泵串聯(lián)幾種匹配運(yùn)行模式下，泵出口閥前后平均有1.29MPa、1.21MPa、1.54MPa 的節(jié)流損失，站內(nèi)節(jié)流平均值為1.49MPa、1.39MPa、1.69MPa。3種工況下（3 泵串聯(lián)）由于泵出口閥節(jié)流而產(chǎn)生的節(jié)流損失為： N[sub]損i[/sub] ＝ 0.278P[sub]損i[/sub]Q[sub]i[/sub] 式中：N[sub]損i[/sub]—不同工況下的閥門節(jié)流損失功率，kW ； P[sub]損i[/sub]—不同工況下的閥門節(jié)流損失壓力，MPa ； Q[sub]i[/sub]—不同工況下單泵的排量，m[sup]3[/sup]/ h 。 N[sub]損i[/sub] ＝ 0.278 × 1.29 × 2099 ＝752kW 752/1800 × 100%=41.8% N[sub]損2[/sub] ＝ 0.278 × 1.21 × 1987 ＝ 665kW 665/1800 × 100%=36.9% N[sub]損3[/sub] ＝ 0.278 × 1.54 × 2018 ＝ 863kW 863/1800 × 100%=47.9% 由上面計(jì)算可知，3泵串聯(lián)3種工況下，由于輸油泵出口閥門的節(jié)流損失占1 臺(tái)泵額定功率的41.8%、36.9%、47.9%。 可見(jiàn)，能源的浪費(fèi)是驚人的。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)到相同運(yùn)行工況，通過(guò)變頻運(yùn)行來(lái)滿足運(yùn)行工況要求，將泵出口閥全開(kāi)，利用出站調(diào)節(jié)控制出站壓力，避免泵出口閥的節(jié)流損失。 2 輸油泵機(jī)組變頻調(diào)速系統(tǒng) 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(guò)調(diào)節(jié)泵出口閥的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，另一種則是通過(guò)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(guò)對(duì)輸油泵電機(jī)的變頻改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來(lái)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。 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(guò)“交—直—交”的逆變過(guò)程，改變電機(jī)定子的電壓頻率從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過(guò)充分調(diào)研國(guó)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，最終選用北京利德福公司生產(chǎn)的HARSVERT-A06/220 型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于魯寧輸線輸油泵機(jī)組上。 HARSVERT-A 系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高—高電壓源型變頻器，變頻器主要由移相變壓器、功率模塊和控制器組成。功率模塊為基本的交—直—交單相逆變電力，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過(guò)對(duì)IGBT 逆變橋進(jìn)行正弦PWM 控制，可得到單相交流輸出。 每個(gè)功率模塊結(jié)構(gòu)及電氣性能上完全一致，可以互換。輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)功率模塊供電，移相變壓器的副邊繞組分為3 組，根據(jù)電壓等級(jí)和模塊串聯(lián)級(jí)數(shù)構(gòu)成多級(jí)相疊加的整流方式，可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形。使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，無(wú)需任何功率因數(shù)補(bǔ)償、諧波抑制裝置。輸出側(cè)由每個(gè)功率模塊的U、V 輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電，通過(guò)對(duì)每個(gè)單元的PWM 波形進(jìn)行重組，可得到階梯正弦P W M 波形。 當(dāng)某一個(gè)功率模塊出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)控制使輸出端子短路，可將此單元旁路退出系統(tǒng)，變頻器可降額機(jī)械運(yùn)行；由此可避免很多場(chǎng)合下停機(jī)造成的損失。 控制器由高速單片機(jī)、工控PC 和PLC 共同構(gòu)成。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PWM 控制，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能，可靠性大大提高。另外，控制電源掉電時(shí)，控制器可由配備的UPS 繼續(xù)供電，變頻器可以繼續(xù)運(yùn)行。 3 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，但由于輸油機(jī)組系統(tǒng)屬于輸油生產(chǎn)中的一個(gè)重要樞紐環(huán)節(jié)，長(zhǎng)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)用中采用了以下技術(shù)措施。 （1）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(kāi)，在變頻系統(tǒng)維修期間可正常保障輸油泵的運(yùn)行，滿足魯寧線生產(chǎn)的需要。 （2）系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的調(diào)節(jié)采用開(kāi)環(huán)/ 閉環(huán)調(diào)節(jié)方式。①串聯(lián)泵最后一臺(tái)泵的出口閥全開(kāi)，利用出站調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)所需出站壓力。②開(kāi)環(huán)狀態(tài)為給定轉(zhuǎn)速：變頻器的設(shè)定量為轉(zhuǎn)速，實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速相同，不對(duì)實(shí)際油壓進(jìn)行控制；閉環(huán)狀態(tài)為給定油壓：變頻器將根據(jù)實(shí)際油壓的反饋進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)，改變運(yùn)行頻率（電機(jī)轉(zhuǎn)速），以保持實(shí)際油壓的恒定。③在站控機(jī)變頻器操作界面按手動(dòng)/自動(dòng)，將出現(xiàn)設(shè)定用計(jì)算機(jī)鍵盤，輸入需要值，按確定即可。 　 （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(guò)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。 4 應(yīng)用效果 魯寧線寧陽(yáng)、泗洪輸油泵機(jī)組變頻調(diào)速系統(tǒng)于2005 年5 月19 號(hào)經(jīng)過(guò)試運(yùn)行投入正常運(yùn)行，取得了明顯的節(jié)能效果，不同工況下3 泵串聯(lián)運(yùn)行對(duì)比數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表3、表4、表5。 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10# 輸油泵變頻調(diào)速運(yùn)行，可以產(chǎn)生明顯的節(jié)電效益。寧陽(yáng)站10# 泵與7#、8# 泵匹配串聯(lián)運(yùn)行時(shí)與原來(lái)同種工況下相比節(jié)電率達(dá)21.68%,10# 與7#、9# 泵匹配串聯(lián)運(yùn)行時(shí)節(jié)電率達(dá)28.57%。泗洪站10# 與7#、9#匹配串聯(lián)運(yùn)行時(shí)節(jié)電率達(dá)30.05%。據(jù)近幾年運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，魯寧線3 泵串聯(lián)運(yùn)行時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間的99%，據(jù)此可計(jì)算若10# 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26.77%（保守?cái)?shù)據(jù)），若按每年運(yùn)行350 天計(jì)算，年可節(jié)電約1909.2500 × 104kWh，按6kV 工業(yè)電價(jià)0.58 元/kWh計(jì)，年可產(chǎn)生節(jié)電效益1107.365 萬(wàn)元，1 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(guò)程中的沖擊，延長(zhǎng)了輸油泵的保養(yǎng)維護(hù)周期，由于變頻后與原來(lái)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10#泵正常轉(zhuǎn)時(shí)軸承溫度達(dá)82.6～90℃,而變頻運(yùn)行時(shí)軸承溫度僅為61.1～68.3℃，這將大大延長(zhǎng)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)噪聲降低，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。 5 結(jié)束語(yǔ) 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轉(zhuǎn)速改變的工況調(diào)節(jié)方式（開(kāi)環(huán)/ 閉環(huán)），調(diào)節(jié)方便，泵出閥全開(kāi)，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)還減少了輸油泵機(jī)組的機(jī)械沖擊、摩損和噪聲，延長(zhǎng)了輸油泵機(jī)組的維護(hù)保養(yǎng)周期及使用壽命。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)用過(guò)程中必須緊密結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工藝狀況，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。