調(diào)速液力耦合器在肯尼亞1號線成品油管道的應(yīng)用

李欣澤，任曉燕

中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東東營 257026

0 引言

在輸油管道系統(tǒng)中，向輸油泵提供動力的電動機耗電量直接影響管道的運行成本。一般電機選用的是工頻定速電機[1]，當管道實際運行工況與原設(shè)計出入較大，經(jīng)常處于降量輸送狀態(tài)時，受各站進出站壓力的限制，輸油站出站調(diào)節(jié)閥只好通過節(jié)流調(diào)節(jié)，輸油泵機組要做一定量的無用功，這不僅浪費能量，還縮短了設(shè)備使用壽命。若在輸油泵機組上應(yīng)用液力耦合器調(diào)速技術(shù)，可以提高泵機組的能量利用率，使輸送與能量的需求相匹配，而且電機輸出功率只需滿足運行工況的要求即可。

本文以肯尼亞1號線成品油管道為例，選用SPS仿真軟件對固定轉(zhuǎn)速泵和采用液力耦合器調(diào)速技術(shù)的可變轉(zhuǎn)速泵的運行工況分別進行了模擬仿真，分析了在應(yīng)用液力耦合器調(diào)速技術(shù)后輸油泵機組的節(jié)能效果。

1 軟件介紹

SPS（Stoner Pipeline Simulator）是美國ADVANTIC公司開發(fā)的一款應(yīng)用在單相流長輸管道上的軟件，自開發(fā)以來，經(jīng)過不斷的實踐、修正，功能已較為完善。

SPS分為氣體和液體兩個計算模塊，它既可以對管道系統(tǒng)的水力、熱力工況進行仿真，又可以對管道系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程及結(jié)果進行仿真，是國際上公認的一款瞬態(tài)流體仿真應(yīng)用軟件[2]。我國的蘭成渝成品油管道、蘭鄭長成品油管道、西部原油管道等均采用了SPS進行工藝計算?？夏醽?號線成品油管道利用SPS建立的模型如圖1所示。

圖1 利用SPS建立的肯尼亞1號線模型窗口

2 工程概況

肯尼亞KPC公司的1號線成品油管道起于港口城市蒙巴薩，終于首都內(nèi)羅畢。管道全長約449.1 km，管徑356mm（14 in），最大操作壓力10MPa（1 440 psi），建成于1978年。在2008年以前，該條管道最大輸量為440m3/h，隨著成品油需求的增長，KPC于2008年新建了4座泵站（PS2、PS4、PS6、PS8），將輸量擴展至860m3/h。目前管道全線共有泵站8座，每座泵站均有2臺額定排量為405m3/h或440m3/h的輸油泵，所有輸油泵均為電機驅(qū)動的液力耦合器調(diào)速離心泵。由于沒有備用泵，每座站場正擴建第3臺泵。全線線路里程及站場分布情況見圖2。

圖2 全線線路里程及站場分布示意

3 調(diào)速液力耦合器工作原理

液力耦合器安裝在離心泵與原動機之間，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由殼體、泵輪和渦輪組成。它是以液體為介質(zhì)，利用液體的動能來傳遞轉(zhuǎn)矩的動力式液力傳動裝置。

圖3 液力耦合器結(jié)構(gòu)示意

工作時輸入軸從電機處獲得能量使泵輪葉片轉(zhuǎn)動，從而使機械能轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髑粌?nèi)工作液的動能，高速液體進入渦輪之后帶動渦輪葉片轉(zhuǎn)動，再變成機械能傳給輸出軸帶動離心泵工作。最后液體返回泵輪，如此反復的動作形成周而復始的流動。液力耦合器是通過液體將其輸入軸與輸出軸聯(lián)系起來，工作構(gòu)件之間不存在剛性連接。因為輸出扭矩等于輸入扭矩減去摩擦力矩，所以它的輸出扭矩恒小于輸入扭矩。密閉工作腔內(nèi)工作液的流量決定了能量傳遞的多少，從而決定了輸出軸轉(zhuǎn)速的大小。因此液力耦合器通過勺管來調(diào)節(jié)工作液的流量，從而實現(xiàn)泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

3.1 離心泵比例定律

離心泵在某一恒定的轉(zhuǎn)速下，只能有一組揚程-流量、功率-流量和效率-流量性能曲線；在不同轉(zhuǎn)速下，泵相似工況點的性能變化規(guī)律可以用比例定律來確定，其變化規(guī)律為[3]：

式中Q和Q1——離心泵在轉(zhuǎn)速n和n1時的流量/（m3/h）；

H和H1——離心泵在轉(zhuǎn)速n和n1時的揚程/m；

N和N1——離心泵在轉(zhuǎn)速n和n1時的軸功率/kW。

由上式可知，保持離心泵輸送流量不變，降低泵轉(zhuǎn)速的同時減少了泵的軸功率和揚程。

3.2 管道和泵特性曲線

當操作流量減少時，若輸油泵采用閥門調(diào)節(jié)，則如圖4所示，必須關(guān)小閥門，這使得閥門的摩阻變大，管道特性曲線變陡，從R變?yōu)镽′，運行工況點則從a點移到b點，泵產(chǎn)生的揚程有部分被損耗掉；若采用調(diào)速液力耦合器，則如圖5所示，通過調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，使泵的特性曲線下移，從Q-H變?yōu)椋≦-H）′，運行工況點則從a點移到c點，系統(tǒng)不存在節(jié)流損失，相比閥門調(diào)節(jié)方式，消耗在閥門上的揚程損失可以完全避免[4-5]。

圖4 管道和泵的特性曲線（出口閥開度控制）

圖5 管道和泵的特性曲線（泵轉(zhuǎn)速控制）

4 調(diào)速前后工況模擬及對比分析

采用SPS仿真模擬軟件對肯尼亞1號線成品油管道在低輸量下泵機組調(diào)速前后的運行工況分別進行模擬。圖6表示的是輸量為650 m3/h時，管道全線的水力坡降線。

圖6 水力坡降線

650m3/h低輸量下的泵性能對比數(shù)據(jù)見表1和表2。表1中泵調(diào)速后功率已考慮液力耦合器8%的效率損失。

由表1可知，在650m3/h的低輸量下，輸油泵出口節(jié)流閥的節(jié)流損失占泵額定功率的50%左右，可見，能源的浪費是驚人的。若離心泵的轉(zhuǎn)速能夠調(diào)節(jié)，使泵的揚程由1 325m減小到僅滿足泵實際需要的大小，則通過削減泵揚程，全開出站節(jié)流閥，可達到節(jié)約能量的目的。

考慮到調(diào)速裝置的效率損失，表3進一步給出了使用液力耦合器前后的運行費用對比，從表中可以看出，調(diào)速前后的節(jié)能效果相當可觀。若管道系統(tǒng)在該輸量下運行一年，16臺液力耦合器的投資不到半年就能收回，而且隨著泵輸量變化的增大，節(jié)能效果將更加明顯[6]。此外，由于避免了輸油泵出口閥的節(jié)流調(diào)節(jié)，因而還可以較好地減少輸油泵機組的機械沖擊、摩擦摩損和噪音，延長了輸油泵機組的維護保養(yǎng)周期及使用壽命等。

表1 泵機組調(diào)速前后運行數(shù)據(jù)對比

表2 出站節(jié)流閥調(diào)速前后運行數(shù)據(jù)對比

表3 使用液力耦合器前后的運行費用對比

5 液力耦合器實際應(yīng)用效果

由于肯尼亞1號線成品油管道自投產(chǎn)后就應(yīng)用了液力耦合器調(diào)速技術(shù)，因此其節(jié)能效果只能利用軟件通過對泵機組調(diào)速前后的工況進行模擬評價。下面以某電力設(shè)計院實測的一臺20萬kW機組引風機改裝液力耦合器為例，說明液力耦合器在實際工程上的應(yīng)用效果。該異步電動機額定值為1 250 kW，6 kV，142 A，額定效率95%，額定轉(zhuǎn)速742 r/m in，額定功率因素0.85。

實測在不同發(fā)電機負荷下兩種調(diào)節(jié)方式對應(yīng)的輸入電流及電動機綜合輸入功率，見表4；不同的日發(fā)電量對應(yīng)的電機日耗電量如表5所示。

表4 實測輸入電流及電動機綜合輸入功率對比

表5 日發(fā)電量對應(yīng)的電機日耗電量

從表5中可知，在不同發(fā)電量下，按照機組年運行300 d計算，引風機在改裝液力耦合器后，年節(jié)電量均在250萬kW·h以上。

6 液力耦合器和變頻器對比（見表6）

通過對液力耦合器和變頻器調(diào)速的比較，液力耦合器在價格、操作性、運行可靠性、維護費用等方面具有突出優(yōu)點。自2000年起，變頻調(diào)速的理念開始流行，目前國內(nèi)變頻器廠家就有上百家，而液力耦合器廠家只有1～2家，原因是液力耦合器調(diào)速技術(shù)較難掌握，其核心技術(shù)主要被國際知名液力耦合器制造商福伊特所壟斷。該公司研發(fā)的最新型的用于壓縮機和鍋爐給水泵等旋轉(zhuǎn)離心機械驅(qū)動的高效傳動裝置Vorecon，在負荷下降至額定值的30%時，傳遞效率仍然高于90%。變頻器運行至今，其缺點（如產(chǎn)生的諧波電流會污染電網(wǎng)等）不斷暴露出來。建議國內(nèi)加大對液力耦合器的技術(shù)攻關(guān)，相信隨著設(shè)計理念的不斷改變，液力耦合器將不斷被大眾接受，必將取代變頻器成為石油石化行業(yè)泵和壓縮機調(diào)速的主導產(chǎn)品。

表6 液力耦合器和變頻器性能對比表

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