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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臺輸油泵機組。輸油泵機組的主要技術參數(shù)見表1。

　　　　　　　　　　　　　表1：南一油庫輸油泵機組技術參數(shù)

泵號	型號	揚程（m）	流量（m3/h）	轉數(shù)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），在不同的實際運行工況下，需通過調節(jié)輸油泵出口閥門來調節(jié)流量，據統(tǒng)計5臺輸油泵在單泵、雙泵、三泵并聯(lián)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，縮短了輸油泵機組的維護周期和使用壽命，不同運行工況下輸油泵出口閥門前后泵管壓差統(tǒng)計情況如表2所示。

　　　　　　　　　　表2：不同運行工況下輸油泵出口前后泵、管壓差統(tǒng)計
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　單位：MPa

運行工況	1#(2#)單運	1# 2#并聯(lián)運行	1#3#并聯(lián)2##并聯(lián)	3#或4#單臺運行	3#和4#并聯(lián)運行	5#單運	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)據以南一油庫2002年實際運行工況數(shù)據統(tǒng)計，表中數(shù)據為平均值。

　　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，能源的浪費是十分驚人的。因此，有必要在輸油泵機組上應用變頻調速技術，以達到依據澡同的運行工況，通過變頻運行來滿足運行工況要求，將泵出口閥全開，避免泵出口閥的節(jié)流損失。

二、輸油泵機組變頻調速節(jié)能技術原理

　　根據離心泵的特性，其工況的調節(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，但造成能源浪費巨大；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),由于此時泵出口閥被全開，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，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(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。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，系統(tǒng)效率相對較低，屬于落后淘汰技術。“高一高“方式直接采用6KV電壓輸入，6KV輸出無須升壓變壓器，系統(tǒng)效率相對較高，目前該形式變頻調速系統(tǒng)應用較多。“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，但由于IGBT元件直接串聯(lián)從技術性能等方面尚不成熟，在技術上帶有一定的風險性。通過充分調研國內外各種6KV變頻調速系統(tǒng)的應用情況和進行各種變頻調速系統(tǒng)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型高壓變頻調速系統(tǒng)應用于南一油庫2#輸油泵機組上。該變頻調速系統(tǒng)的主要技術參數(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%額定負載時）>0.95

　　 變頻系統(tǒng)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(huán)境溫度0～40℃

四、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)屬于油庫生產中的一個重要樞紐環(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)在應用中采用了以技術措施。

　　① 系統(tǒng)具備工頻、變頻手動切換功能。一旦變頻系統(tǒng)出現(xiàn)種故障，可以手動切換到工頻檔，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，滿足油庫生產的需要。

　　② 系統(tǒng)的運轉頻率的調節(jié)采用開環(huán)手動調節(jié)方式。考慮到輸油系統(tǒng)要求安全平穩(wěn)運行的特點，本系統(tǒng)不宜采用閉環(huán)調節(jié)控制。因為受整個輸油系統(tǒng)管網波動的影響，如采用閉環(huán)控制，很容易造成系統(tǒng)的自動停機，或者引起整個輸油系統(tǒng)的擾動，給輸油生產的調度指揮帶來不利的影響。而采用開環(huán)人為控制，通過一定運行時間的技術摸索，在不同工況下，人為地設定和調整變頻系統(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)運行。

　　③ 現(xiàn)場設置、啟動、停止以及緊急停機按鈕，控制室內設上位機對運行參數(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太的監(jiān)視。

　　④ 優(yōu)化系統(tǒng)的保護參數(shù)，確保輸油系統(tǒng)的連續(xù)平穩(wěn)運行。在應用于輸油系統(tǒng)時必須慎重選擇，并對一些保護的參數(shù)按實際需要進行設置。避免由于變頻系統(tǒng)的保護過于靈敏而而造成輸油泵停機，影響輸油系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運行。

　　⑤ 在變頻調速系統(tǒng)內設置適合于現(xiàn)場實際的報警功能，并對運行的參數(shù)，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系統(tǒng)于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(jié)能效果，對于在單泵運行，雙泵并聯(lián)運行、三泵并聯(lián)運行等不同的工況下，對比數(shù)據分別見表3、表4、表5所示。

　　　　　　　　　　　　表3：單泵（2#泵單運）變頻前后運行數(shù)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(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#泵匹配運行）變頻前后運行數(shù)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(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#匹配運行）變頻前后運行數(shù)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(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)據為按當月同種工況下統(tǒng)計的數(shù)據的平均值；

　　②多泵并聯(lián)運行工況下，其單泵排量無分支計量裝置，由于其額定排量相同，其排量按當天輸量÷　　　24h÷運行臺數(shù)而計算得出。

　　由表3、表4、表5的統(tǒng)計數(shù)據可知，在不同的運行工況下，由于2#輸油泵變頻調速運行，可以產生明顯的節(jié)電效益，2#泵單泵運行時與原來同種工況下相比節(jié)電率達48.6%,2#與1#泵匹配運行時節(jié)電率達41.7%，2#與1#、3#三泵匹配并聯(lián)運行時節(jié)電率達38.8%。據歷年運行數(shù)據統(tǒng)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%，三泵并聯(lián)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(jié)電率為43.3%，若按每年運行350天計算，年可節(jié)電約216.7×104KWh，按6KV工業(yè)電價0.465元/KWh計，年可產生節(jié)電效益100萬元，一年可基本回收設備投資。

　　此外，由于采用變頻系統(tǒng)對輸油泵機組進行軟啟軟停，減少了啟動過程中的沖擊，延長了輸油泵的保養(yǎng)維護周期，由于變頻后與原來相比在較低轉速下運行，泵軸、軸承的磨損程度減少，以軸承為例，變頻前2#泵正常轉時軸承溫度達85℃～90℃,而變頻運行時軸承溫度僅為60℃～65℃，這將大大延長輸油泵的軸承，機械密封等易損件的壽命，同時運行時噪音降低，因此，除取得顯著直接經濟效益外，還具有較好的間接經濟效益。

六、結束語

　　輸油泵機組高壓變頻調速節(jié)能技術是實現(xiàn)輸油系統(tǒng)節(jié)能的有效技術途徑，它將閥門節(jié)流工況調節(jié)方式改為輸油離心泵的轉速改變來調節(jié)工況的方式，具有調節(jié)方便的特點，泵出閥全開，有效地避免了輸油泵出口閥的節(jié)流損失，產生巨大的工能效益，同時還具有較好的減少輸油泵機組的機械沖擊，摩損和噪音延長輸油泵機組的維護保養(yǎng)周期及使用壽命等方面的間接經濟效益。但由于高壓變頻調速系統(tǒng)目前處于技術發(fā)展階段，且初期投資高，因此必須選用可靠性高，性能價格比好，已有廣泛應用基礎的高壓變頻裝置，應用于輸油系統(tǒng)，應用過程中必須緊密地現(xiàn)場工藝狀況結全，選擇適當?shù)恼{速控制方式，才能在取得明顯節(jié)能效益的基礎上，保證輸油系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運行。