魏荆线输油泵节能技术分析

王雯雯 张春 严建锋

【摘要】魏荆线输油管道由于常年在超低输量下运行，节流损失较大，泵效较低，造成大量的能量消耗。通过对魏荆线输油泵机组更新改造并引进高压变频调速系统，实现不同工况的流量调节，最大限度的降低能量消耗，节约了电能。

【关键词】魏荆线 输油泵 变频技术 节能

1 引言

魏岗-荆门输油管道（魏荆线）原设计输量为350×104t/a，管径为Φ426×7，管道最高运行温度为70℃，承担着从南阳油田向荆门石化输送原油的任务，但魏荆线实际年输油量仅100万吨左右。由于目前魏荆线常年在超低输量下运行，节流损失较大，导致泵机组效率低下。

根据中石化系统原油流向调整的需要，魏荆线以后输量为93～126×104t/a，输送过程中仍会存在较大的节流损失。为了解决上述问题，通过更新魏荆线输油泵机组（在魏岗首站、襄樊泵站各设置Q=170m³/h H=370m N=355KW 高效输油泵机组2台，1用1备），同时采用在魏岗、襄樊站各设置1套北京利德福公司生产的HARSVERT—A06/040型高压变频调速系统，最大限度的减少节流损失。

2 输油泵机组变频调速系统

根据离心泵的特性，其工况调节主要是调节流量，而离心泵调节流量最常用的两种方法：一是通過调节泵出口阀的开度进行调节，另一种则是通过改变离心泵的转速进行调节，前者虽然调节方便，但能源浪费严重；通过对输油泵电机的变频改变电机的转速，来实现输油泵的工况调节，是满足工艺运行条件下的一条经济可行的技术途径。

由离心泵的特性可知，在管路特性曲线不变的情况，改变离心泵转速后，其性能参数的改变由下式确定。

Q/Q1= n/n1，H/H1=（ n/ n1）2，N/ N1=（ n/ n1）3

其中：Q、H、N—离心泵转速为n时的流量、扬程、功率；

Q1、H1、N1—离心泵转速改变为n1时的流量、扬程、功率。

由以上离心泵转速改变前后的关系式方知，如果离心泵转速有很小的降低，则离心泵所需的输入功率会大幅度地降低，从而产生明显的节能效果，离心泵转速降低在额定转速20%以内时，离心泵的特性曲线的形状与原来相似，如图1所当离心泵转速由n降为n1时，其特性曲线为与原曲线平行的一条曲线，设原管路特性曲线为R，R与H-Q（n）相交于A点，A即为原工况点。在变频状态下，离心泵转速为n1时，其特性曲线为H1-Q1（n1），由于此时泵出口阀全开，管路特性曲线变为较为平坦的R1（n1），此时R1（n1）与H1-Q1（n1）交于A1点，即为新的工况点，Q1=Q，即保持离心泵排量不变，但泵的扬程由H减少为H1，因此在保证满足输油量的情况下，通过削减离心泵杨程节约的能量为HAA1H1的面积。这就是离心输油泵变频节能的原理。变频调速系统基本工作原理均是通过“交-直-交”的逆变过程，改变电机定子的电压频率从而改变电机的转速，即转速（r/min）=频率（Hz）×120/极数。

3 高压变频调速系统的选择

目前，6KV高压变频调速系统处于技术发展阶段，其基本原理均为通过“交一直一交”的逆变过程，通过改变电机定子的电压频率从而改变电机的转速。高压电机调速的方式从技术实现途径上又可分为“高一低一高”、“高一高”、“IGBT直接串联”等几种方式。通过变频调速系统的技术经济性能论证，最终选用北京利德华福公司生产的HARSVERT-A06/040型高压变频调速系统应用于魏荆线更新输油泵机组上。该变频调速系统的主要技术参数为：

技术方案：多级模块串联，交直交、高高方式

额定输入电压/允许变化范围：

6kV±10%

系统输入电压，6kV

系统输出电流，40A

逆变侧最高输出电压，6kV

额定容量，380kVA

额定输入频率/允许变化范围，50Hz±10%

对电网电压波动的敏感性，-35%～+15%

输入侧功率因数，>0.95（>20%负载）变频器效率，>96%

控制方式 ， 多级正弦 PWM控制

控制电源，220VAC 或 380VAC（三相四线制），3KVA

UPS 型式，后备式 1KVA掉电可维持 30分钟

电机侧逆变器型式及元件，IGBT 逆变桥 串连

电隔离部分是否采用光纤电缆，采用光纤连接

冷却方式，强迫风冷防护等级，IP30

4 技术方案

高压变频调速系统应用输油泵机组固然可产生较好的节能效益，但由于输油系统属于长输管线一个重要枢纽环节，长时间连续运转，除对设备本身要求有较高的可靠性之外，在技术方案上必须与现场的工艺特点相结合，充分考虑现场操作，启动、停机，以及调节等诸方面的安全性，适用性和方便性。本系统在应用中采用了以下技术措施：

（1）系统具备工频、变频自动切换功能。一旦变频系统出现种故障，可以自动切换到工频档，将变频系统甩开，在变频系统维修期间可正常保障输油泵的运行，满足输油生产的需要。

（2）系统的运转频率的调节采用闭环PID调节方式。考虑到输油系统要求安全平稳运行的特点，本系统不宜采用开环调节控制，这样引起整个输油系统的扰动，给输油生产的调度指挥带来不利的影响。本系统采用闭环PID调节方式，可以增大电机调速的范围为1：10，可以使流量与转速之间更为精确计算配比，并且可减少人为的工作量。

（3）现场设置、启动、停止以及紧急停机按钮，变频器的状态参数通过变频控制器的远传接口传到控制室内上位机，并对运行参数进行实行显示，极大地方便了现场操作人员的操作和对设备运行状态的监视。

（4）实现了原站控系统的信息共享，在站控室显示高压变频装置的所有参数、运行情况和所有报警信息。

（5）变频装置具有旁路功能，这种功能是一种快速地、自动地切除故障单元而保证系统正常运行的方法。当变频设备出现故障时，故障报警信号经由通讯电路传输给主控系统，主控系统接到故障信号后，经过故障种类判断，用最短的时间将变频设备进行旁路切除，切换到旁路部分，这样使输油泵电机可正常运转。

5 应用效果分析

魏荆线改造前，日平均输量为2771t，魏岗首站年平均有0.69MPa节流损失，泵平均效率为37%，襄樊泵站平均有0.75MPa节流损失，泵平均效率为42%；魏荆线改造后，日平均输量未2844t，魏岗首站平均有约0.01MPa节流损失，泵平均效率为72%，襄樊站泵出口阀前后平均有约0.01MPa节流损失，泵平均效率为70%。相关的其他参数如表1所示：

由上述实际运行参数表2可以得出：改造前魏荆线年输量97×104t/a（折合2771 t/d）时，单位能耗为3.51kW·h/t，改造后魏荆线年输量99.5×104t/a（折合2844t/d）时，单位能耗为1.51kW·h/t，计算节电率为57%，按0.7元/kW·h计算年节电费用为0.7×57%×340=135万元人民币。

6 结论

输油泵是长输管道输油生产运行中主要能耗设备，本文针对魏荆线输油泵机组在实际生产运行中存在节流损失大、泵效低、能量消耗大等问题，结合水力学、离心泵基础知识、变频节能原理，在此次改造中通过设置高效离心泵对魏荆线输油泵机组进行更新，并对新增输油泵采用变频调速技术来满足运行工况要求，最大限度的减少节流损失，改善了工艺，保证了安全生产。根据魏荆线输油泵机组改造前和改造后现场实测数据，进行节流损失、效率分析，节电率为57%，其节能效果是相当显著的，具有明显的经济效益。

参考文献

[1] 钱锡俊，陈弘.泵和压缩机.中国石油大学出版社，2007

作者简介

王雯雯， 助理工程师， 1986年生， 2008年毕业于中国石油大学（华东）油气储运专业， 获学士学位， 主要从事长距离油气管道输送技术的设计工作。