摘 要:在魯寧線長輸管道生產(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個輸油站,有43臺輸油泵機(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不同。輸油泵機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)見表1。
由于兩種型號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,需通過調(diào)節(jié)輸油泵出口閥門來調(diào)節(jié)流量(3 泵串聯(lián)運(yùn)行,前兩臺泵的出口閥全開,利用第3臺泵的出口閥來調(diào)節(jié)出站壓力),第3臺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,寧陽、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 臺泵額定功率的41.8%、36.9%、47.9%。
可見,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,通過變頻運(yùn)行來滿足運(yùn)行工況要求,將泵出口閥全開,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。
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—直—交”的逆變過程,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,通過對IGBT 逆變橋進(jìn)行正弦PWM 控制,可得到單相交流輸出。
每個功率模塊結(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)電壓等級和模塊串聯(lián)級數(shù)構(gòu)成多級相疊加的整流方式,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,無需任何功率因數(shù)補(bǔ)償、諧波抑制裝置。輸出側(cè)由每個功率模塊的U、V 輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電,通過對每個單元的PWM 波形進(jìn)行重組,可得到階梯正弦P W M 波形。
當(dāng)某一個功率模塊出現(xiàn)故障時,通過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,同時可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制??刂破髋c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,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)中的一個重要樞紐環(huán)節(jié),長時間連續(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、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(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)采用開環(huán)/ 閉環(huán)調(diào)節(jié)方式。①串聯(lián)泵最后一臺泵的出口閥全開,利用出站調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)所需出站壓力。②開環(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/自動,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)場設(shè)置、啟動、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。
(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。
(5)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。
4 應(yīng)用效果
魯寧線寧陽、泗洪輸油泵機(jī)組變頻調(diào)速系統(tǒng)于2005 年5 月19 號經(jīng)過試運(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)行對比數(shù)據(jù)分別見表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。寧陽站10# 泵與7#、8# 泵匹配串聯(lián)運(yùn)行時與原來同種工況下相比節(jié)電率達(dá)21.68%,10# 與7#、9# 泵匹配串聯(lián)運(yùn)行時節(jié)電率達(dá)28.57%。泗洪站10# 與7#、9#匹配串聯(lián)運(yùn)行時節(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)行時間占總運(yùn)行時間的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0.58 元/kWh計(jì),年可產(chǎn)生節(jié)電效益1107.365 萬元,1 年可基本回收設(shè)備投資。
此外,由于采用變頻系統(tǒng)對輸油泵機(jī)組進(jìn)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(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10#泵正常轉(zhuǎn)時軸承溫度達(dá)82.6~90℃,而變頻運(yùn)行時軸承溫度僅為61.1~68.3℃,這將大大延長輸油泵的軸承、機(jī)械密封等易損件的壽命,同時運(yùn)行時噪聲降低,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
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(開環(huán)/ 閉環(huán)),調(diào)節(jié)方便,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,同時還減少了輸油泵機(jī)組的機(jī)械沖擊、摩損和噪聲,延長了輸油泵機(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,性能價格比好,已有廣泛應(yīng)用基礎(chǔ)的高壓變頻裝置。應(yīng)用過程中必須緊密結(jié)合現(xiàn)場工藝狀況,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。