石油化工管道输油泵节能技术分析与应用

葛友汇（九江石化设计工程有限公司，江西 九江332000）

1 管道三种流量调节方式

石油化工管道的流量调节主要是通过改变管路特性曲线或是离心泵特性曲线实现的，目前常用的调节方式有调节阀调节、泵打回流调节和改变离心泵转速[1]。以下结合管路和离心泵特性曲线对这三种调节方式进行介绍和技术比较。

1.1 调节阀调节

采用调节阀调节是传统的调节方式，它是通过节流改变管路特性曲线来进行调节的。由图1所示，当流量为Q1时，系统在a 点（通常称为泵和管道系统的工作点）工作，当操作流量从Q1减少到Q2时，由于管路特性曲线R 不变，管路需要的扬程将由Ha下降到Hc；由于泵特性曲线不变，泵提供的扬程将由Ha上升到Hb，这时泵提供的扬程和管路所需要的扬程不匹配。为了使系统达到新的平衡，通过关小阀门，增大阀门阻力降，则管道的特性曲线变陡，如图1所示，管道特性曲线由R变为R’，机泵运行工作点从a 点移到b 点[2]。这种调节方式主要存在的问题是会有（Ha-Hc）的扬程消耗在调节阀节流上，造成一定的水头损失。

图1 调节阀流量调节示意图

1.2 泵打回流调节

采用泵打回流调节是通过人为增大离心泵入口流量以便适应泵特性曲线来进行调节的。由图2所示，当操作流量从Q1减少到Q2时，可通过泵打回流使泵的实际通过流量由Q2增大到Q3，此时泵提供的扬程为Hc，满足流量为Q2时管路所需要的能量。这种调节方式主要存在的问题是泵对（Q3-Q2）这部分流量做无用功，增加能耗。

图2 泵打回流流量调节示意图

1.3 改变泵转速

采用改变泵转速调节是在管道降量输送下最节能的调节方式，它是通过调节泵转速改变泵特性曲线来进行调节的[3]。由图3所示，当操作流量从Q1减少到Q2时，可调节泵转速，使泵的特性曲线下移，运行工况点将从a 点移到b 点。这时泵的出口扬程正好等于管道所需要扬程，不存在扬程损失，也不存在泵打回流调节方式下的功率损失。

表-1 液力耦合器和变频器性能对比表

图3 变泵转速流量调节示意图

2 液力偶合器和变频装置比较

在石油石化管道上运用液力耦合器和变频器都是为了调节泵的转速，使泵的特性曲线发生变化从而避免调节阀的节流损失，两者达到的结果是相同的，只是实现的方式不同。下面介绍液力偶合器和变频装置的工作原理并对其性能进行对比分析。

2.1 液力偶合器的工作原理

液力耦合器安装在原动机与离心泵之间，其结构如图4 所示，主要由壳体、泵轮和涡轮组成，其工作原理是利用液体为工作介质的一种液力传动装置。

图4 液力耦合器结构示意图

液力耦合器的涡轮和泵轮相对安装，上面有径向排列的叶片，两者之间存在一定间隙，互不接触。泵轮与涡轮组成一个可使液体循环流动的密闭工作腔，泵轮装在输入轴上，涡轮装在输出轴上。动力机带动输入轴旋转时，液体被离心式泵轮甩出，这种高速液体进入涡轮之后就推动涡轮旋转，将从泵轮获得的能量传递给输出轴。最后液体又返回泵轮，如此反复的动作形成周而复始的流动[4]。密闭工作腔内工作液的流量决定了能量传递的多少，可以通过勺管来调节工作液的流量，进而调节泵的转速。

2.2 变频装置的工作原理

变频装置是安装在供电电源和电机之间，通过改变电源的频率从而改变电机转速，而电机转轴直接与泵相连，电机转速变化必然导致泵的转速变化。

异步电动机转速n表达式为[5]：

式中：f 为输油泵电机的电源频率，Hz；P 为电机的磁极对数；s为转差率；n为异步电动机转子转速，r/min。

由公式可知，当转差率s 变化不大时，转速n 与频率f 成正比，通过改变电机频率f，即可改变异步电动机的转速n。

2.3 液力耦合器和变频装置性能比较

目前在国内，无论是长输管道输油泵还是石油化工用输油泵，大部分还是采用变频装置来实现调速，液力耦合器应用不多，但在带式输送机、给水泵和大型风机等方面有较多的应用。本文从8个方面对液力耦合器和变频器的优缺点进行详尽的对比，具体见表-1。

3 SPS模拟定速泵和装有液力耦合器泵运行工况

3.1 SPS软件和工程实例介绍

SPS（SYNERGEE PIPELINE SIMULATOR）是DNV GL 公司开发的一款世界公认的瞬态流体仿真应用软件，其主要可对管道系统的水力、热力工况进行模拟以及系统的调节过程进行仿真[10]。

本文以国内某输油管道为例，采用SPS 软件对定速泵和变速泵运行工况进行模拟，该管道具体参数如下：全长450km，管径DN350，设计压力10.0MPa，沿线共设8 座泵站，设计输量为880m3/h，管道实际输量只有650m3/h，共设有16台液力耦合器。

3.2 装有液力耦合器泵运行工况仿真

SPS仿真软件中包含控制器、继电器、组件传感器、执行器，能够完整地模拟离心泵PID控制系统[7]。如图5所示，以该管道某离心泵逻辑控制简图为例，说明如何使用软件中的PID控制元件来实现泵转速的控制。

为防止进站压力过低和出站压力过高，在进站阀B0302上游设置传感器S03SPS、在出站阀B0305 下游设置传感器S03DPS，分别用于检测该两点的压力。传感器与各自控制器信号联锁，在控制器接收到压力信号后，与各自初始设定的限定值进行分析对比。如进站压力低于设定值，则控制器C03SPS向继电器Y03 发出低压力信号，如出站压力高于设定值，控制器C03DPS 向继电器Y03 发出高压力信号，继电器接收到压力异常信号后，将联锁关闭进站阀或出站阀；如管道进、出站压力保持正常状态，未超出预先设定的限定值时，则进、出站控制阀保持全开状态。

表-2给出了该管道在某工况下，5、6号泵站离心泵的运行工况。由该表可知，将6号泵站进站压力设定为0.35MPa时，通过液力耦合器改变5号泵站输油泵转速，从而改变该泵的运行工况，使得泵的出口扬程刚好等于管路总摩阻加上6号泵站进站所需扬程，没有剩余扬程，此时，5 号泵站出站调节阀处于全开状态，避免了节流调节方式下的能头损失，大大降低了能耗。

图5 SPS模拟离心泵PID逻辑控制简图

表-2 输油泵运行工况一览表

3.3 调速前后技术和经济效益对比

经模拟仿真发现：在450m3/h低输量下，泵机组调速前转速为恒定转速2870r/min，调速后转速大概在2000r/min；调速前扬程为恒定值1325m，调速后各输油泵扬程大概在500m；调速前轴功率为恒定值1235KW，调速后各输油泵功率大概在600KW；调速前各泵站出口调节阀节流损失约为5.0MPa，调速后泵的出口压力刚好等于管路摩阻加下游泵站的进口压力，没有多余扬程，且上游泵站出口调节阀全开，没有节流损失。

以该管道为例，对使用液力耦合器前后的运行费用进行测算：电价按0.6元/kW·H 计，考虑液力耦合器8%的效率损失，年节约5000 万元运行成本，节能效果和经济效益明显。该管道16 台液力耦合器的投资回收期不到半年，且随着输量变化增大，经济效益愈发显著。

4 结语

变频器调速技术和液力耦合器调速技术都是通过调节泵转速从而达到调节流量的目的。作为传统的变频器调节技术，具有较高的效率等优点，但存在费用高、操作复杂且存在污染电网以及高压电磁辐射损害人员健康等诸多缺点；而液力耦合器调速技术具有操作简单、价格便宜、运行稳定可靠等优势，但其核心技术主要掌握在德国液力耦合器制造商福伊特公司。本人建议国内相关科研单位应重视液力耦合器调速技术的科研攻关，随着相关设计理念不断突破创新、理论与实际不断结合，该技术必将在石油化工行业泵和压缩机调速领域取代传统变频器调速技术，具有极为广泛的应用空间。