變頻調(diào)節(jié)技術(shù)在原油管道輸送中的應(yīng)用分析

譚 磊，劉寶玉，楊云鵬，馬洪建

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

作為能源消耗僅次于美國和俄羅斯的超級大國，節(jié)能已成為中國能源可持續(xù)發(fā)展道路上的焦點(diǎn)問題。而作為一個高速發(fā)展中的國家，能耗與環(huán)境之間的矛盾也日益突出。石油需求的對外依存也成為制約中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要問題。如何能節(jié)約每一份能量在當(dāng)今社會具有舉足輕重的意義。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，降低能耗，提高能量利用效率，使用先進(jìn)技術(shù)及設(shè)備是有效的節(jié)能手段。

在輸油管道的生產(chǎn)管理過程中,輸量調(diào)節(jié)是經(jīng)常用到的，如一年中季節(jié)變化、首站來油量的不均衡、末站輸轉(zhuǎn)油品的不暢通、管道或設(shè)備故障等原因,都可能引起輸量變化。常用用于數(shù)量調(diào)節(jié)的方法有：

（1）車削輸油泵葉輪調(diào)節(jié)

（2）拆卸多級離心泵葉輪級數(shù)調(diào)節(jié)

（3）大小泵匹配調(diào)節(jié)

（4）出口節(jié)流調(diào)節(jié)

以上調(diào)節(jié)方法均屬于調(diào)節(jié)流量達(dá)到調(diào)節(jié)目的。此外還可以通過改變離心泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到調(diào)節(jié)輸量的目的，即變頻調(diào)節(jié)技術(shù)[1]。

在我國電機(jī)系統(tǒng)能耗效率非常低，采用變頻技術(shù)的電機(jī)僅占10%。油田儲運(yùn)系統(tǒng)大量的輸油泵仍未采用變頻輸油技術(shù)。隨著油田開發(fā)進(jìn)入后期，石油產(chǎn)量逐漸減少，油田儲運(yùn)系統(tǒng)載荷逐年降低，造成儲運(yùn)系統(tǒng)能耗逐年遞增，系統(tǒng)效率逐年下降。這種趨勢在油田儲運(yùn)系統(tǒng)中有明顯體現(xiàn)。每座油庫每年因電能消耗造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到上百萬元。但是由于儲運(yùn)系統(tǒng)的特殊狀況，不可能只通過更換輸油泵或電機(jī)來實(shí)現(xiàn)線路與泵之間的特性匹配，因?yàn)槿绻艿垒斄康慕档?，相同距離輸送后致使管道內(nèi)的油溫降低，管道一旦因特殊原因而致使停輸后再啟動的困難會更加嚴(yán)重，故要求必須對原油輸送動力系統(tǒng)配備一定余量揚(yáng)程的泵設(shè)施，因此很難從改變設(shè)備選型的角度來滿足不同運(yùn)行工況下的泵管特性匹配。而如果通過變頻調(diào)速方式，就能達(dá)到在各種運(yùn)行工況下的優(yōu)化運(yùn)行，提高儲運(yùn)輸送系統(tǒng)的效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的[2]。

1 變頻調(diào)節(jié)技術(shù)介紹

1.1 變頻調(diào)速技術(shù)簡述

目前常用于輸油管道改變離心泵機(jī)組轉(zhuǎn)速的方法主要有在泵與固定轉(zhuǎn)速的電動機(jī)間加液力耦合聯(lián)軸器驅(qū)動，以及在電動機(jī)供電線路中安裝變頻器，通過改變電源頻率改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速兩種方法。液力耦合聯(lián)軸器是安裝在電動機(jī)與泵之間的一種通過液體傳遞轉(zhuǎn)矩的傳動部件。通過改變進(jìn)入聯(lián)軸器的油量，改變電動機(jī)與泵之間的耦合程度達(dá)到調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速的目的。

變頻器是串聯(lián)在電動機(jī)供電回路中，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓，而頻率可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)的電氣裝置。交流變頻調(diào)速是隨著計算機(jī)工業(yè)發(fā)展而發(fā)展起來的一門新興而又成熟的技術(shù)，由于它與其他變速方法相比，具有良好的應(yīng)用特性和顯著地節(jié)能效果，所以在生產(chǎn)中的已廣泛的應(yīng)用[1]。

1.2 變頻器變頻調(diào)速原理

變頻器變頻調(diào)速的原理可由公式（1）給出：

式中: n ——電動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

f ——電源頻率，Hz；

p ——電動機(jī)磁極個數(shù)；

s ——轉(zhuǎn)差率。

改變電機(jī)的供電電源頻率即可達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，這種方法就是變頻器變頻調(diào)節(jié)技術(shù)[3]。

1.3 變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能原理

由離心泵的特性可知,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)的改變由式(2)確定[4]。

式中：Q、H、N —離心泵轉(zhuǎn)速為n時的流量、揚(yáng)程、功率;

Q1、H1、N1—離心泵轉(zhuǎn)速改變?yōu)閚1時的流量、揚(yáng)程、功率。

可知流量Q與轉(zhuǎn)速n的成正比,揚(yáng)程H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比,軸功率N與轉(zhuǎn)速n的立方成正比,即功率與轉(zhuǎn)速成三次方的關(guān)系下降。如果將電機(jī)的轉(zhuǎn)速降下來,則在相同的運(yùn)行流量下,原來消耗在節(jié)流上的功率就可以完全避免,取得良好的節(jié)能效果,這就是輸油泵的變頻節(jié)能原理[5]。

2 計算實(shí)例分析

2.1 原油物性計算

原油物性參數(shù)的計算主要包括原油密度計算與原油年度計算兩部分，其具體計算方法如下：

2.1.1 原油密度計算

在已知原油溫度為 20 ℃時的原油密度 的情況下，可由以下方法計算原油在其他溫度下的密度。

2.1.2 原油粘度計算

原油粘度的計算主要通過原油的粘溫關(guān)系式來確定，其粘溫關(guān)系式主要有雙對數(shù)形式的粘溫關(guān)系式與指數(shù)形式的粘溫關(guān)系式，兩種關(guān)系式均能計算出原油在任意溫度下相對應(yīng)的粘度值[1]。

①雙對數(shù)形式粘溫關(guān)系式計算方法:

式中：ν —溫度為t ℃時，原油的運(yùn)動粘度，m2/s；

a，b —待定常數(shù)，可根據(jù)已知油品在兩個溫度下的粘度帶入求得。

②指數(shù)形式粘溫關(guān)系式計算方法

式中：νt、ν0、—分別為溫度為t ℃時與溫度為t0℃時原油的運(yùn)動粘度，

m2/s；

u —粘溫指數(shù)，可根據(jù)已知油品在兩個溫度下的粘度帶入求得。

2.2 輸油管道泵站現(xiàn)行參數(shù)計算

以勝利油田某等溫輸油管道泵站冬季運(yùn)行情況為例，管道任務(wù)輸量為 500萬 t/a；設(shè)計管徑為DN450；最高輸送壓力為8 MPa；該管道設(shè)有三座泵站，每座泵站配置有3臺DKS750-550型離心泵，一臺為備用泵，采用兩泵并聯(lián)運(yùn)行的輸送方式；管道設(shè)計輸量為泵站設(shè)計揚(yáng)程為Hb= 1 068m，泵站通過節(jié)流調(diào)節(jié)的方式滿足任務(wù)輸量的要求；管道輸送油品密度為粘管道周圍平均地溫為1。

2.2.1 泵站供能分析

式中：hb—離心泵揚(yáng)程，m；

Q —離心泵輸量，m3/s。

由于泵站采用兩泵并聯(lián)運(yùn)行方式，故泵站揚(yáng)程

Hb為：

泵站供入的有效功率為：

三座泵站總供入有效功率為：

2.2.2 管路系統(tǒng)耗能分析

泵站供入能量主要通過管路沿程摩阻損失消耗，通過管路相關(guān)參數(shù)與相關(guān)沿程摩阻計算公式，可計算出管路壓降，以確定管路系統(tǒng)耗能值，在此，選用列賓宗公式對該管道進(jìn)行沿程摩阻分析：

式中：Hf—管道的沿程阻力損失，m；

Q —管道的輸量，m3/s；

ν —油品的運(yùn)動粘度，m2/s；

d —管道的直徑，m；

l —管道的計算長度，m；

β，m —與流態(tài)有關(guān)的常數(shù)。

根據(jù)對原油輸送時流態(tài)的分析，取m值為0.25通過計算得出管路壓降為：

式中：Hg—系統(tǒng)管路壓降，m；

Hf—系統(tǒng)管路沿程摩阻損失，m；

ΔZ —系統(tǒng)終、起點(diǎn)位差，m；

Hz—系統(tǒng)終點(diǎn)余壓，m。

該管路系統(tǒng)通過節(jié)流調(diào)節(jié)方式到達(dá)管道任務(wù)輸量后，其有效能損失為：

2.3 變頻調(diào)節(jié)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)分析

2.3.1 變頻調(diào)節(jié)技術(shù)

如果使用變速調(diào)節(jié)將輸量調(diào)節(jié)至任務(wù)輸量Q0=0.1914 m3/s，終點(diǎn)余壓59m。由比例定律得將流量從0.203 m3/s調(diào)至0.1914 m3/s時的轉(zhuǎn)速為：

調(diào)速后的泵站揚(yáng)程Hb1為:

泵站有用功率 ：

轉(zhuǎn)速為 2834=n r/min

略大于任務(wù)輸量，符合要求，無節(jié)流。

2.3.2 經(jīng)濟(jì)分析

通過計算進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析,如果泵的效率為68%，則節(jié)流造成的軸功率損失應(yīng)為：

N/0.68=587/0.68=863 kW。

則每年運(yùn)行350天造成的電能經(jīng)濟(jì)損失為:

￥=863×24×0.5×350=351萬元人民幣。

可見如果使用變頻節(jié)能技術(shù)則可以完全節(jié)省351萬人民幣，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 結(jié) 論

在儲運(yùn)系統(tǒng)中，由于輸油管道輸油量達(dá)不到設(shè)計要求，致使泵長期處在大馬拉小車狀態(tài)下運(yùn)行，導(dǎo)致能耗增加，本文通過以上分析得到以下結(jié)論：

（1）變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)輸油系統(tǒng)節(jié)能的有效技術(shù)途徑,它將閥門節(jié)流工況調(diào)節(jié)方式改為輸油泵的變頻工況調(diào)節(jié)方式,具有調(diào)節(jié)方便，響應(yīng)速度快，自動化程度高的特點(diǎn),有效避免了輸油泵出口閥的節(jié)流損失,產(chǎn)生了巨大的功能效益。

（2）變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)可以使用工單位節(jié)省約11%的能源損耗，可獲得較高的經(jīng)濟(jì)收益。

［1］王光然 油氣管道輸送[M].中國石油大學(xué)出版社，2005.

［2］陳殿軍 輸油泵機(jī)組變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)的研究[J]．大慶石油學(xué)院工程碩士學(xué)位論文，2006:5-9.

［3］張國權(quán) 輸油泵變頻節(jié)能技術(shù)分析與應(yīng)用[J]．油氣儲運(yùn)，2008,27（3）：54.

［4］姚化偉 變頻泵流量調(diào)節(jié)在輸油系統(tǒng)中應(yīng)用分析[J]．當(dāng)代化工，2011，40（5）：479.

［5］尚立光 輸油泵變頻節(jié)能效果分析[J]．電子設(shè)計工程，2011,19（5）60.

［6］錢錫俊. 泵和壓縮機(jī)[M].北京：中國石油大學(xué)出版社，2007.