調(diào)速液力耦合器在輸油泵機(jī)組上的應(yīng)用

李欣澤

（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司）

在輸油管道系統(tǒng)中，電機(jī)為輸油泵提供動(dòng)力，是管道運(yùn)行的主要耗能設(shè)備，一般情況下，電機(jī)選用工頻定速電機(jī)［1］。當(dāng)管道輸送流量達(dá)到設(shè)計(jì)輸量時(shí)，工頻定速電機(jī)運(yùn)行效率較高；當(dāng)管道實(shí)際輸量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)輸量時(shí)，一般通過(guò)輸油站出站調(diào)節(jié)閥進(jìn)行節(jié)流，不僅浪費(fèi)能量，還縮短設(shè)備的使用壽命。若在輸油泵機(jī)組上應(yīng)用調(diào)速技術(shù)，使能量的供應(yīng)與需求相匹配，即可避免調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

1 泵的調(diào)速方式對(duì)比

目前，調(diào)速設(shè)備主要有變頻器和液力耦合器兩種［2］。在我國(guó)，成品油輸油泵多采用變頻器調(diào)速，液力耦合器在大型風(fēng)機(jī)、給水泵、帶式輸送機(jī)等方面應(yīng)用較多。

1.1 變頻器與液力耦合器工作原理

1.1.1 變頻器

變頻調(diào)速是將調(diào)速裝置安裝在供電電源與電機(jī)之間，電機(jī)轉(zhuǎn)軸直接與泵相連，通過(guò)改變電源的頻率和電壓來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n計(jì)算公式為：

式（1）中： f——輸油泵電機(jī)的電源頻率，Hz；p——電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；s——轉(zhuǎn)差率；n——異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min。

由式（1）可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，頻率與轉(zhuǎn)速成正比，只需改變電源頻率，即可改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1.1.2 液力耦合器

液力耦合器安裝于離心泵與原動(dòng)機(jī)之間，以液體為介質(zhì)，利用液體的動(dòng)能來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩，其主要由殼體、泵輪和渦輪組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時(shí)，輸入軸從電機(jī)獲得能量帶動(dòng)泵輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髑粌?nèi)工作液的動(dòng)能［3］；然后，高速液體進(jìn)入渦輪帶動(dòng)渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而，渦輪葉片的機(jī)械能傳給輸出軸帶動(dòng)離心泵工作；最后，液體返回泵輪，形成周而復(fù)始的流動(dòng)。

液力耦合器通過(guò)液體將輸入軸與輸出軸聯(lián)系起來(lái)，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(guò)勺管來(lái)調(diào)節(jié)工作液的流量，可實(shí)現(xiàn)泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

圖1 液力耦合器結(jié)構(gòu)

1.2 變頻器與液力耦合器性能對(duì)比

1.2.1 變頻器性能

一是，傳動(dòng)效率。在輸出轉(zhuǎn)速下降時(shí)，變頻器仍能保持較高的效率，其低速特性較好；二是，價(jià)格。變頻器系統(tǒng)復(fù)雜，其價(jià)格比液力耦合器高出約40%；三是，操作性。變頻器操作較復(fù)雜，需要對(duì)操作人員進(jìn)行專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)；四是，安全性。出現(xiàn)問(wèn)題后，變頻電機(jī)不能直接掛在工頻網(wǎng)上，需要停機(jī)檢修；五是，運(yùn)行可靠性。變頻器電子線路較復(fù)雜，故障率相對(duì)較高；六是，維護(hù)費(fèi)用。變頻器正常運(yùn)行時(shí)無(wú)消耗品，但是，使用7至8年后需更換電子元器件；七是，對(duì)外系統(tǒng)影響。變頻器產(chǎn)生的諧波電流會(huì)污染電網(wǎng)，產(chǎn)生的高壓電磁輻射污染會(huì)危害運(yùn)行維護(hù)人員的健康［4］；八是，對(duì)外界環(huán)境要求。變頻器需要獨(dú)立空調(diào)房，保證恒溫恒濕條件。

1.2.2 液力耦合器性能

一是，傳動(dòng)效率。液力耦合器動(dòng)力損失僅限于轉(zhuǎn)差率損失和機(jī)械損失（軸承等）范圍內(nèi)，在額定操作點(diǎn)上傳動(dòng)效率約為96%，但是，當(dāng)?shù)陀陬~定輸量50%時(shí)，效率下降較快；二是，價(jià)格。液力耦合器價(jià)格較低；三是，操作性。液力耦合器操作簡(jiǎn)單方便；四是，安全性。液力耦合器出現(xiàn)問(wèn)題后，必須停機(jī)檢修［5］；五是，運(yùn)行可靠性。液力耦合器除軸承外無(wú)磨損原件，可長(zhǎng)期可靠運(yùn)行；六是，維護(hù)費(fèi)用。運(yùn)行一定時(shí)間后，需對(duì)液壓油進(jìn)行更換；七是，對(duì)外系統(tǒng)影響。液力耦合器基本沒(méi)有對(duì)外系統(tǒng)的影響［6］；八是，對(duì)外界環(huán)境要求。液力耦合器基本沒(méi)有對(duì)外界環(huán)境的要求。

2 調(diào)速液力耦合器的應(yīng)用

某成品油管道全長(zhǎng)450km，公稱(chēng)直徑為350mm，最大操作壓力為9.93MPa，最大輸量為860m3/h，全線共設(shè)泵站8座，每座泵站均設(shè)有2臺(tái)額定排量為405m3/h或440m3/h的輸油泵。管道沿線以平原、丘陵為主，外界環(huán)境條件較為苛刻，人類(lèi)活動(dòng)較少，社會(huì)可依托條件較差，因此，所有泵站均采用液力耦合器進(jìn)行調(diào)速。

采用SPS（Stoner管道仿真器）仿真模擬軟件對(duì)該管道在低輸量下泵機(jī)組調(diào)速前后的運(yùn)行工況進(jìn)行模擬。650m3/h低輸量下，泵機(jī)組調(diào)速前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1，出站調(diào)節(jié)閥運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)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。

表1 泵機(jī)組調(diào)速前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 泵機(jī)組調(diào)速前后出站調(diào)節(jié)閥運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

由表1、表2可知，在650m3/h低輸量下，采用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)時(shí)，16臺(tái)輸油泵運(yùn)行功率為19 760kW，通過(guò)液力耦合器調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速后，泵揚(yáng)程減小到僅滿(mǎn)足實(shí)際揚(yáng)程需要，輸油泵運(yùn)行功率僅為10 078kW，降低了約49%，節(jié)電量約8 133×104kW·h/a，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用 4 880萬(wàn)元/a（電價(jià)按 0.6元/（kW·h）計(jì)），16臺(tái)液力耦合器的投資不到半年就能收回。并且，輸量變化越大，節(jié)能效果越明顯。同時(shí)，由于避免了輸油泵出口閥的節(jié)流調(diào)節(jié)，可減少輸油泵機(jī)組的機(jī)械沖擊、磨損和噪音，延長(zhǎng)輸油泵機(jī)組的維護(hù)保養(yǎng)周期及使用壽命。

3 結(jié)語(yǔ)

由于液力耦合器調(diào)速技術(shù)較難掌握，目前，我國(guó)液力耦合器調(diào)速技術(shù)還處于研究階段。在國(guó)際上，制造商也只有福伊特驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司。而變頻調(diào)速技術(shù)已較為成熟，而且生產(chǎn)廠家眾多，因此，我國(guó)成品油管道系統(tǒng)多采用變頻器對(duì)輸油泵進(jìn)行調(diào)速。但是，經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用，變頻器的缺點(diǎn)不斷暴露出來(lái)，如，變頻器產(chǎn)生的諧波電流會(huì)污染電網(wǎng)等。與變頻器相比，液力耦合器在價(jià)格、操作性、運(yùn)行可靠性、維護(hù)費(fèi)用等方面存在較大的優(yōu)勢(shì)，因此，液力耦合器具有廣闊的發(fā)展前景。建議我國(guó)加大對(duì)液力耦合器的技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，將有利于推動(dòng)液力耦合器在石油石化行業(yè)的應(yīng)用。

[1] 劉國(guó)豪,楊磊,張帥,等.變頻技術(shù)在長(zhǎng)輸管道輸油泵機(jī)組上的應(yīng)用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2012,31(7):543-545.

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