鲁尔泵工频运行与变频运行在输油过程中的能耗分析研究

2022-05-13乔焕芳马仲平

当代化工研究 2022年8期

＊乔焕芳马仲平

（1.陕西延长石油（集团）管道运输公司陕西 716000）2.安信证券股份有限公司陕西 710000）

1.在线分析的鲁尔泵运行背景

延长石油管道运输公司延-西成品油管线是延长石油第一条走出陕北、穿越关中，连接产销两地的地下能源大动脉。该管线对于保证以西安为中心的关中城市燃料供应，促进关中率先发展有着积极意义。该管线投运后，延-西线全线设计年输油量500万吨，每年大约可节省运输费用5.98亿元，同时也改变延炼-西安单一的公铁路运输方式，不仅减少了运输成本以及油品损耗，更重要的是可以有效的保证西安市场成品油的供应，具有举足轻重的作用。

惠家河成品油首站隶属于延安市黄陵县惠家河镇，坐落于延炼成品油库区，是延-西成品油管线的输油首站，也是目前管道运输公司场站运行压力最高、电机功率最大、泵流量最大的场站，场站正常运行压力6.5～8.5MPa，主输泵额定流量：450m3/h，全站共有鲁尔泵3台，1台10kV变3.3kV变频控制，2台10kV软启控制，设计一备两用，完成该条管线的油品输送任务。

2.鲁尔泵工频与变频的性能分析

(1)变频泵性能分析

变频泵在安全运行及操作过程中的优缺点分析：

优点主要体现在以下几个方面：①变频器电机采用可平滑启动方式，随着电机的加速相应提高频率和电压，逐渐增加输出功率。鲁尔泵输油能耗主要体现在电能耗上，在未达到满载情况的可调节范围内，功率可调能合理降低用电量，很大程度上降低了输油能耗；②在鲁尔泵启泵过程中，启动电流为额定电流的120%～150%，启动转矩为额定转矩的70%～120%，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，同时减少了泵在启动时的轴向力，可把对泵机械密封的损害降到最低；③变频泵可以使用较低的泵转速，更适用于小输量输油，同时模块化设计，可靠性高，使用寿命长，维护方便；④变频器调速可以精确控制频率和加减速的时间，对整个管道系统可实现较准确的过程控制，避免出现抽空或超压等引起的停泵问题；⑤在安全操作上，变频泵运行压力平稳，泵出口压力在6.4～8.5MPa，且噪声小，自动化控制程度较高。

变频泵虽然优点很多，但在运行过程中仍不同程度上暴露出些许缺点：①变频泵的一次性投资比较高，虽然模块化的设计便于维护，但是系统较为复杂，一旦出现故障需要返厂维修，维修时间周期比较长；②场站配备一台变频泵，由于单泵功率及惯性力矩的限制，无法通过串并联有效降低水击现象的影响时间。

(2)工频软启泵性能分析

工频泵在安全运行及操作过程中的优缺点分析：

工频泵的优点：工频泵工艺简单，操作方便，使用调节阀控制流量，响应时间较快。

缺点如下：①启泵时，启动电流为额定电流的6～7倍，对设备和供电电网造成较大冲击，对电网容量要求高；②启动时产生的大电流和震动将产生机械、电气上的冲击，对供电设备和泵的损害较大，影响设备使用寿命。③工频软启泵运行压力在8.5～10.6MPa，由调节阀开度节流控制流量，因此输量越小压力越大，瞬间启泵压力可达11.6MPa接近12MPa，对管线的冲击比较大。

(3)鲁尔泵的主要参数及性能曲线

①主要参数如下：鲁尔泵性能参数：类型：离心泵；型号：SMI325/01*9；额定流量：450m3/h；工频（软起泵）额定电压：10kV；额定功率：2000kW；额定电流：131A；变频泵额定电压：3.3kV；额定功率：2000kW；额定电流：395A。

②性能曲线图如图1、图2。由此可见，参照鲁尔泵的设计及额定参数，结合泵的特性曲线分析，泵的功率（P）、效率（ƞ）、扬程（H）以及汽蚀余量（NPSH）参数都跟流量（Q）成比例，因此我们接下来以流量为变量，分析泵的各项参数。

图1 Q-P、Q-H、Q-ƞ、Q-NPSH特性曲线图

图2 流量-扬程曲线图

由图1Q-H曲线可以看出，在额定扬程1300m时，泵效率最高时的排量为450m3/h，由图2Q-ƞ曲线可以看出，输油时泵的经济运行排量范围（泵效率最高点前后7%范围对应的排量）为420～640m3/h。

表2 惠家河成品油首站2019年生产运行数据年统计表

由图2Q-P曲线趋势可以看出，功率与流量成正比例关系，针对变频泵，频率越高，流量越大，功率越大，直至达到工频；而针对工频软启泵，结合运行工艺，调节流量主要依靠阀门强制节流，因此不管流量多大，功率都基本是一致的，更适用于大排量输油。

3.鲁尔泵工频与变频的运行数据分析

图3 2019年输油量柱状图

输油泵除去设备自身维检修费用，最主要的能耗就是电耗量，能量利用率是对管道运行能耗评价的重要参数，自2009年管线投运以来，经过13年多的生产运行，我们对三台主输泵的运行能耗进行了统计和综合分析，管线全长设计输量500×104t/a（柴汽比1:0.7，柴油：294.1×104t/a，汽油：205.91×104t/a），最大输量575万吨/年，最小输量260万吨/年，变频泵运行时能耗最高达到0.0194千瓦时/ 吨·千米，工频泵最高达到0.0323千瓦时/吨·千米。这样的话，按照最大输量575万千瓦时/年计算，变频泵全线输油需要消耗电能：2242.155万千瓦时/年，工频泵全线输油需要消耗电能：3733.0725万千瓦时/年，两者相差约1491万千瓦时/千瓦时（工业用电单价：0.6元/千瓦时），变频泵比工频泵每年节约费用高达894.6万元；按照最小输量260万吨/年计算，变频泵全线输油需要消耗电能：1013.844万千瓦时/年，工频泵全线输油需要消耗电能：1687.998万千瓦时/年，两者相差约674万千瓦时/年（工业用电单价：0.6元/千瓦时），在小流量输油模式下，变频泵比工频泵每年节约费用404.4万元；近几年随着年输油任务量的提高，仅从泵的运行能耗上可以看出，合理匹配变频泵与软启泵的运行模式，对节能降耗起着极其重要的作用。

以2019年运行数据为例，以图表模式简单分析如下：

图4 2019年运行时间统计图

图5 2019年能耗统计表

图6 2009-2020年能耗统计表

4.鲁尔泵变频与工频节能降耗运行措施建议

针对鲁尔泵变频与工频控制方式的优缺点，结合性能曲线以及日常运行参数、管线运行压力承受范围等情况综合对比，流量在280～450m3/h范围内，推荐使用变频泵输油，操作运行平稳，噪声小，更有利于职工身心健康；流量在 450～575m3/h（输油下游减压阀影响）范围内，达到泵效率最高点，功率也基本达到最高功率，节流阀门基本处于全开状态，压力冲击小，管线运行压力相对低，便于工频软启泵运行；输量大于575m3/h，小于最大输量790m3/h（兄弟单位喂油泵压力及线路运行压力影响）范围内，推荐使用两台泵并联运行模式，根据三台鲁尔泵控制模式，优先采用两台软启泵并联，控制模式一致，操作简单，当然也可以采用一台软启泵并联一台变频泵完成输油任务。