輸油泵變頻工況研究分析

王婷郭鵬耿永峰朱榮乾

1 輸油泵變頻節(jié)能

變頻器的作用是改變交流電動機供電的頻率和幅值，從而改變其運動磁場的周期，達到平滑控制電動機轉(zhuǎn)速的目的。

1.1 輸油泵變頻調(diào)速的基本原理

輸油泵變頻調(diào)速的理論根據(jù)是交流電動機工作原理中的轉(zhuǎn)速關(guān)系[1]：

式中：

n——電動機轉(zhuǎn)速，r/min；

f——輸油泵電動機的電源頻率,Hz;

p——電動機的磁極對數(shù);

s——轉(zhuǎn)差率。

由此可知，均勻改變電動機定子繞組的電源頻率 f，就可以平滑地改變電動機的同步轉(zhuǎn)速。電動機轉(zhuǎn)速降低，軸功率就相應降低，電動機輸入功率也隨之降低，從而實現(xiàn)輸油泵的變頻調(diào)速。

1.2 輸油泵變頻調(diào)速運行的節(jié)能原理

離心泵的特性曲線表明，其工況調(diào)節(jié)主要是調(diào)節(jié)流量，而調(diào)節(jié)流量最主要的方法有2種：通過泵出口閥的開度進行調(diào)節(jié)；通過改變離心泵的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。前者雖然調(diào)節(jié)方便,但閘閥作為一個阻力元件，會產(chǎn)生很大的節(jié)流損失。通過變頻改變電動機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)輸油泵的工況調(diào)節(jié)，是滿足工藝運行條件，保證泵能高效、節(jié)能、平穩(wěn)運行的技術(shù)途徑。

在管路特性曲線不變的情況下，改變離心泵轉(zhuǎn)速后，其性能參數(shù)的改變由下式[1]確定：

式中：

Q、H、N——離心泵轉(zhuǎn)速為n時的流量、揚程和功率；

Q1、H1、N1——離心泵轉(zhuǎn)速改變?yōu)閚1時的流量、揚程和功率。

離心泵的特性曲線是用來表示離心泵的主要參數(shù)之間關(guān)系的曲線，一般用流量作橫坐標，其他參數(shù)作縱坐標來表示（圖1）。當離心泵轉(zhuǎn)速為n1時，揚程流量曲線為H-Q(n1)，效率曲線為ηn1，A1點為額定工況點，Q1為額定流量，H1為額定揚程，此時泵在高效區(qū)運行，效率為η1。運行中要減少流量到Q2，有2種實現(xiàn)方式：一種是節(jié)流調(diào)節(jié)，A3點為新的工況點，Q2為對應流量，H3為對應揚程，效率為η3，此時泵運行偏離了高效區(qū)；另一種是調(diào)速調(diào)節(jié)，泵轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2，泵的H-Q（n1）曲線變?yōu)镠-Q（n2）曲線，效率曲線為ηn2，A2點為調(diào)速后新的工況點，Q2為對應流量，H2為對應揚程，效率為η2。根據(jù)葉片式水里機械的相似理論有η2=η1，因此泵仍然在高效區(qū)運行。

圖1 離心泵調(diào)節(jié)特性曲線[2]

2 輸油泵變頻工況測試分析

選魯克沁采油廠輸油泵為測試對象。它的型號為HDK70-100×8多級離心泵，額定流量為70m3/h，額定揚程為800m，額定軸功率為289kW，生產(chǎn)廠家是杭州大路實業(yè)有限公司，出廠日期2010年6月。電動機型號為YB2-400S-2，額定功率355 kW，額定電流609A，額定電壓380V，額定轉(zhuǎn)速2988r/min，生產(chǎn)廠家是佳木斯電機廠，出廠日期2010年2月。所選的變頻器是愛默生EV2000。

測試過程：使用3169鉗位功率計在變電柜上進行夾電測試，選用三相四線制。用9661型鉗位傳感器夾住導線，夾子上箭頭指示的方向為電流流向；電壓線夾在源位端的金屬部位，如螺母或母線上（圖2）。

圖2 連接電路示意圖

由此測出負載的一次端、二次端、三次端的電壓、電流、有功功率、無功功率、視載及功率因數(shù)。由于受現(xiàn)場工況條件的限制，現(xiàn)將所測的6個點轉(zhuǎn)速的平均值加以歸納（表1），并在各轉(zhuǎn)速下測得泵的進出口壓力及泵流量（表2）。

表1 6個點轉(zhuǎn)速的平均值

表2 各轉(zhuǎn)速下泵的進出口壓力及泵流量

根據(jù)以上數(shù)據(jù)計算揚程、泵軸功率和泵的運行效率。

2.1 計算揚程

根據(jù)公式[3]：

式中：

H——揚程，m；

P1——泵出口壓力，MPa；

P2——泵進口壓力，MPa；

ρ——原油密度，0.89t/m3；

g——重力加速度，9.81m/s2。

得出各轉(zhuǎn)速下?lián)P程為：

2.2 計算泵軸功率

根據(jù)P=3UIcosφ[1]得出電動機輸入功率， U為電壓；I為電流；cosφ為功率因數(shù)。

根據(jù)

根據(jù)Pa=P×η[4]得泵的軸功率

以此類推，得

2.3 計算泵的運行效率

根據(jù)Pu=ρQgH×10-3[5]得出泵的輸出功率

以此類推，得

2.4 轉(zhuǎn)速與流量、轉(zhuǎn)速與泵運行效率之間的關(guān)系

由于現(xiàn)場工況的限制，只做了上述6個點，運用MATLAB軟件對其進行圖形擬合，可知流量隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，但當轉(zhuǎn)速為2732r/min時，流量達到最大值為70m3/h，即為實際工作狀態(tài)的最好工況，但當超過最好工況點時，因為供液量不足流量會有所下降，而正當這一點時泵的運行效率達到最大值，過了這一工況點泵的運行效率下降。

3 結(jié)論

根據(jù)以上測試和計算的結(jié)果可知：流量隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，當轉(zhuǎn)速增加到一定程度時流量達到最大值，即當轉(zhuǎn)速為2732r/min時，流量將達到額定值70m3/h，而過了這個轉(zhuǎn)速點由于供液量的不足會使流量下降，而泵的運行效率在流量最大點時為效率最高點，過了這個轉(zhuǎn)速點效率則下降。在實際的生產(chǎn)運行狀態(tài)中因為產(chǎn)量會隨時波動，它不會固定到某個轉(zhuǎn)速點上持續(xù)為流量最大點和效率最高點，在供液許可的情況下，建議在2732～2797r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間運行，運用變頻調(diào)速的原理使泵在高效區(qū)運行，從而達到節(jié)能降耗的目的。

[1]張國權(quán),吳顯洪.輸油泵變頻節(jié)能分析與運用[J].油氣儲運,2008,27（3）：53-54.

[2]楊艷平,楊學武,丁小紅,等.變頻調(diào)速技術(shù)在轉(zhuǎn)油站的實踐與認識[J].石油石化節(jié)能,2010（2）：49.

[3]馮海東.輸油系統(tǒng)機泵效率測試的誤差分析[J].油氣儲運,1996,15（7）.

[4]胡富強.泵效測試儀測試方法分析[J].黑龍江自動化技術(shù)與應用,1992（2）：43.

[5]孫邈,王岳,曲道天,等.輸油泵變頻節(jié)能工藝技術(shù)研究[J].石油與石化設備,2010,13.