机泵调速技术在石油化工厂的应用及发展

2022-12-29张小龙

化工设计通讯 2022年9期

张小龙，刘亮

（陕西延长石油（集团）有限责任公司延安石油化工厂，陕西延安 727406）

目前，石油化工企业机泵整体运行效率偏低，间接降低了石油化工整体生产效率和质量，形成原因比较复杂，如生产方案与加工量发生改变，导致装置运行期间承受较大压力，影响机泵运行效率和稳定性，甚至超负载运行，不仅能源消耗量大，还会影响机泵正常运行效率。所以，合理利用机泵调速方式，在确保机泵运行效率与稳定的同时，有效降低能源消耗，对于石油化工企业经济效益提升尤为关键。

1 机泵在石油化工中应用

1.1 机泵应用原理

机泵是输送流体或使流体增压机械，通过把原动机机械能或外部能量输送液体，以增加液体能量。目前机泵主要有电动泵、水轮泵、单级泵和多级泵等，在工业领域应用十分广泛。

1.2 机泵在石油化工中用途

机泵作为通用性机械设备之一，广泛应用于石油、化工、电力和冶金等多个领域。在石油化工厂中，机泵的用途包括计量、物料输送等多个环节。作为石油化工日常生产基础设备，机泵运行效率和稳定性也决定着石油化工企业整体生产运行效率和质量。

2 石油化工机泵应用现状

机泵作为石油化工厂重要基础设施，不仅应用面广泛，并且其运行状态也是决定石油化工厂具体运行关键因素，但从实际情况来看，石油化工厂机泵实际运行时，存在机泵工作效率偏低的问题，以至于影响石油化工厂整体运行效率与生产稳定性，引发这一问题的主要原因分析如下。

2.1 加工量与生产方案改变

石油化工厂日常生产过程中，为确保生产效率与质量，经常出现加工量与生产方案改变，这使得实际生产过程中所采用机泵装置负荷出现较大波动，进而引发机泵运行效率下降，最终影响石油化工厂整体运行效率和效果。

2.2 加工量少

石油化工厂运行时，机泵装置一般会处于低负荷运转状态，会导致后路出现不畅通现象，加上石油化工厂生产所采用材料会随着外界条件改变而发生变化，出现机泵运行效率偏低的问题。

2.3 机泵电机选择过大

在石油化工厂设计过程中，受动力设备适用范围广泛影响，电机与泵过大，使机泵操作点过远，机泵运行时无法达到最佳效率状态。机泵选择过大，实际作业操作时，智能利用调节阀浪费，最终出现“大马拉小车”问题，不仅能源消耗浪费严重，还会影响机泵工作效率与稳定性。

2.4 机泵应用问题

石油化工厂机泵一般以国产水泵为主，与国外泵相比，平均效率偏低，加上型号系列不全，在机泵设计选择时，以大代小也会影响机泵运行效率。并且，石油化工厂机泵一般是在变工况情况下运行，机泵负载与平均功率偏低，影响机泵实际运行效率和稳定性。

3 常见机泵调速方式

目前，机泵调速方式较多，大体可以分为机械调速与电气调速两大类。其中机械调速包括液力偶合器、ω油膜离合器等方式，而电气调速则包括变频调速、变极调速、串级调速与定子调压调速。机泵调速还可以分为低效调速系统与高效调速系统，低效调速系统主要是通过调速转差功率利用发热方式消耗，但存在不能回收和效率低等问题，而高效调速系统调速模式，不仅无附加转差损耗，并且调速效率也比较高。常见机泵调速方式总结分析如下。

3.1 液力偶合器调速

液力偶合器调速是一种以液体为介质传递功率的液力传动装置，改变工作腔内部液体充油度，在不影响动机转速基础上，实现驱动机械无级调速。

在实际应用时，液力偶合器调速应用优势明显，不仅运行稳定、适用范围广，并且调速范围广、功率因数高。液力偶合器调速在大功率异步电机应用时，经济性和安全性更高。

但其缺点也比较明显，应用时存在速度损失，不能实现全速运行，一旦调速时发生故障会引发机泵运行隐患。调速后实践较差，调速效率会随着转速急剧下降，使得后续维修保养困难，强烈振动影响机泵运行效率。

3.2 ω油膜离合器调速

ω油膜离合器调速与液力偶合器调速性能接近，是20世纪70～80年代研制的调速装置之一，但ω油膜离合器的体积更小、售价更低、运行也更加可靠，不仅能实现自动化控制，技术经济指标优势也更明显，并且调速范围比液力偶合器更宽，具有较高功率因素，也不会产生高次谐波与电网污染，在机泵调速时，可以优先选用ω油膜离合器进行调速。

3.3 变频调速

变频调速主要是通过电源恒压、恒频电能经整流逆变等方式，把电压频率可调节电能提供给机泵调速应用，以此实现机泵调速的目的和效果。

变频调速性能优势不仅可以实现无级调速，并且调速范围更宽、调速精度也比较高。而且变频调速启动电流比较小，不会对电网造成冲击，可以减少配电装置容量，加上功率因数高优势，不需要再另加电容补偿，具有反应灵敏快速、自动化生产实现容易、调控容易、操作简单和维护保养简单等优势[1]。但其应用劣势也比较明显，其技术复杂、初期建设投资高和对电网有干扰等，在实际选择时需要提起重视。

3.4 变极调速

变极调速应用时限制比较明显，只能用于不连续、成比例机泵速度改变，初期投资比较低，维修保养方便，节能效果好，可靠性强优势，变极调速一般需和其他调节方式相配合，常用于流量调节范围较宽的场合。如变极调速可与节流调节、入口导流器调节、液力偶合器等可连续调速的调节方式相组合进行联合调节。

3.5 电磁滑差调速

电磁滑差调速主要利用电磁滑差离合器在电机与负载之间进行转矩传递，在改变励磁电流的同时带动离合器滑差，以此实现生产机泵转速改变。这种调速方式调速范围在20%～97%，加上初期投入成本低、技术水平掌握简单等优势，在长期、高速与短期、低速运行工况都比较适用。但从电磁滑差离合器调速应用现状来看，受工况与其他条件影响，电磁滑差离合器应用并不多。

3.6 串级调速

串级调速主要通过电源恒压、恒频电能传送电机定子，以此把转子转差功率经整流逆变后转变为恒压、恒频电能反馈回电网，以此实现机泵调速。

串级调速优势在运行效率高，一般可以保证在90%左右，适用于流量变化范围70%～95%的大、中容量负载调速。但其劣势也比较明显，串级调速只适用于绕线式异步电机，对于市面比较常见鼠笼型电机和同步电机则不适用，并且到容量电机中应用时，运行不可靠因素也比较大，加上功率因数低、电网干扰大与维护保养困难等问题，应用串级调速需要慎重。

3.7 定子调压调速

定子调压速通过把转差损耗消耗在电机转子上实现机泵调速，但是由于转子发热问题，机泵容量不能太大，还需要配合可控硅进行调速，并且随着速度的下降，电机谐波损耗也会增加，所以这一调速方式只适用于流量变化范围比较小的部分，但其技术成熟、设备简单、投资小和操作使用保养维护简单优势，在小型机泵调速中应用明显。

3.8 转子串电阻调速

转子串电阻调速，通过绕线式异步电机转子回路中传入合适电阻，在改变启动转矩大小的同时，对机泵机械特性进行同步改变。

转子串电阻调速优势在于可靠性高、原理性能简单、调速范围广泛、为电机全速运行提供基础、不产生高次谐波与电网干扰、功率因素高和维护保养简单优势，在机泵调速中应用优势明显。但实际调速时启动转矩比较大，加上故障处理需要停车、节能效果差等劣势，在实际选择时需要加强注意。

4 机泵调速技术在石油化工厂中应用思路

4.1 依托自身实际，选择合理调速技术

目前机泵调速方式有很多，但具体选用那种调速方式，就需要依托自身实际进行选择，以确保机泵调速方式选择科学合理。参考设备投资规模、电机负载类型、容量大小、运行效率、功率因数、设备可靠性、维修难度、节能效果、调速范围和机械控制性能等多项指标进行综合考量，而不是功能越先进或投资越少等单一指标进行考量，需要从技术发展角度入手，在综合全面考量基础上，实现机泵调速科学合理。

首先，要对石油化工厂机泵现状进行分析，通过对石油化工厂现有基本情况进行了解，包括对设备投资规模、电机负载类型、容量大小、运行效率、功率因数等多个方面信息进行收集，并形成总结归纳，同时对收集信息数据进行全面科学分析，得出机泵调速实际需求和目标，为后续机泵调速方式选择提供基础。其次，从自身维修能力与维修水平入手，在了解自身维修能力基础上，结合节能需求目标，从而形成自身基础分析，为后续机泵调速选择提供良好基础，确保后续机泵调速方式选择合理性与有效性。最后，基于上述常见调速方式分析，从其适用范围、性能特点与技术发展目标等多个方面进行考虑，形成针对性机泵调速方式选择，确保后续机泵调速方式科学合理，强化石油化工厂生产运行经济效益。如当流量在额定流量90%以上变化时，调速方式一般不采取调速装置的方式，应该以电机效率提升为主，以此确保机泵调速获得良好的节能效果，避免流量过大时使用调速装置出现不必要能量损耗；而石油化工厂非防爆场所则可以使用转子串电阻调速，但炼油装置则不能采用；液力偶合器与ω油膜离合器作为两种比较成熟的机械调速方式，在实际选择应用时，应该从节能角度入手，当原油加工量变化比较大时、大型机泵处于低负荷时，则适用于机械调速方式，而液力偶合器与ω油膜离合器相比，ω油膜离合器调速优势更为明显；串级调速应用时，实际使用时需要利用绕线式电机，加上设备改造时使用不便，所以在石油化工厂防爆场所不宜使用；变频调速主要适用于石化系统中大量鼠笼型异步电机改造，在低转速区域运行或启停频繁机泵方面应用节电性能更佳，加上设备运行周期长等优势，在实际选择时进行放心选择，但实际使用时会给生产操作带来不便，所以需要进行针对性考量，以此避免出现机泵调速不合理问题[3]。

4.2 多种调速方式综合利用

机泵设备作为石油化工厂基础设备设施，在石油化工厂中应用方向很多，并且，受应用方向不同，机泵设备所选取类型也不同，所以单一调速方式选择并不适用于石油化工厂机泵调速方案，所以，实际对机泵调速技术在石油化工厂中应用进行分析时，可以通过多种调速方式综合利用的方式，以此确保石油化工厂机泵调速技术体系科学合理，在降低能耗的同时，实现机泵工作效率调整，有效提升机泵经济效益。

针对石油化工厂机泵实际规格类型，设置多种调速方式并存的机泵调速技术体系，以满足石油化工厂调速需求的同时，强化机泵调速的效率和效果。如液力偶合器调速可以应用于石油化工厂输油泵电机中，在满足原油流量被动要求的同时，强化机泵调速后节能效果；而ω油膜离合器调速则应用于石油化工厂PVA泵房，在大泵全输出工况下进行调速节能，强化机泵运行效率和效果的同时，实现机泵调速节能效果；变频调速则可应用于炼油厂酮苯脱蜡装置回收系统机泵中，在利用变频调速后，不仅可以强化机泵工况与系统参数，并且其电机实际负荷与能源损耗也得到了大幅度降低，对于机泵稳定运行具有良好效果；变极调速则主要适用于泵站JS128-6电机，在降低机泵能耗与供水单耗同时，强化泵站电机运行效率与稳定性；定子调压调速则可应用于石油化工厂小型电机之中，利用其设备简单、投资损耗小优势，强化机泵调速质量和效果。

4.3 交流调速系统构建

石油化工厂中机泵调速除了常见基础调速方式外，还可以从新型电子信息技术调速系统构建入手，在强化机泵调速效率效果的同时，强化机泵调速现代化水平。而交流调速作为新兴调速方式之一，其主要以通信系统调制技术为基础，是现代机泵调速典型代表。

首先，以电力电子器件为主，通过智能模块IPM电力电子掐尖使用形成变频调速装置，不仅可以强化调速质量，并且其性价比优势，还可以满足石油化工企业机泵变频节能目标，对于促进机泵调速信息化水平强化具有良好效果。其次，利用脉宽调制技术对变频装置性能进行优化完善，在变频调速系统中加入脉宽调制技术，不仅可以及时准确实现变压变频控制要求，还可以对逆变器输出电压、电流中谐波分量进行控制，降低变频调速电机转矩脉动，在强化蹦极工作效率的同时，拓展机泵调速系统调速范围。然后，从矢量变化控制技术与直接转矩控制技术应用入手，在定向转子磁通基础上，对交流电动机控制进行优化，不仅调速控制效果更佳，并且机泵调速后节能效果也更好，而且随着科技进步发展，除了矢量变化控制技术与直接转矩控制技术融入以外，还可以通过多变量解耦控制或变结构滑模控制等方式对变频调速进行优化，以此强化石油化工厂机泵调速质量与效果。最后，通过微型计算机控制技术融入的方式，在构建交流调速系统时，通过微型计算机控制技术的融入，强化交流调速系统可靠性与操作设备多样化、灵活性，在降低变频调速装置体积与投资成本的同时，实现良好机泵调速效率和效果。并且，通过单片机、数字信号处理器、精简指令集计算机合理应用，促进模拟控制向数字控制系统转化的同时，强化机泵调速优化发展。不仅如此，在交流调速系统构建时，还可以加强面非线性解耦控制、人工神经网络适应控制、模糊控制等新兴控制策略的应用融入，以强化交流调速系统构建质量水平，推动石油化工厂机泵调速整体质量效果优化。