變頻調(diào)速技術(shù)在輸油管道上的應(yīng)用

劉超，，敬朋武，張小俊，羅毅，劉楊，陳

（1．中國石油北京油氣調(diào)控中心，北京 100007；2．中國石油天然氣股份有限公司管道西安輸油氣分公司，陜西西安 710021）

使用輸油管道進(jìn)行油品輸送時，需要根據(jù)市場需求以及實際需要選擇不同的流量，這就需要調(diào)度員對管道輸量進(jìn)行人為干預(yù)和動態(tài)調(diào)整。在未設(shè)置變頻泵的管道上，通常使用壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，這種以降低總壓頭的方式消耗流體能量，往往會造成能量浪費[1]，尤其對于長時間以低輸量運行的管道而言，能量的浪費尤為嚴(yán)重。

1 管道運輸能耗分析及對策

我國某成品油管道附屬注入支線全長216.3 km，管徑323.9 mm，設(shè)計壓力6.3～9.0 MPa，設(shè)計輸量為298 m3/h。全線共設(shè)置工藝站場兩座，分別為首站與末站，水力系統(tǒng)設(shè)置較為簡單。首站設(shè)有給油泵、輸油主泵、出站壓力調(diào)節(jié)閥各兩臺，均為一用一備。泵機(jī)組設(shè)備參數(shù)見表1。

由于管道在設(shè)計時驅(qū)動電機(jī)與離心泵的選型不合適，所選型號功率過大，導(dǎo)致管道在設(shè)計輸量下能量浪費現(xiàn)象嚴(yán)重。該注入支線每年輸送車用柴油、組分汽油兩種油品共60余批次，約160萬t，由于柴油與汽油二者黏度相差很大，輸送時全線所需能量也存在差異。全線輸送柴油時匯管壓力為6.27 MPa，出站壓力為4.80 MPa，調(diào)節(jié)閥開度為33%，調(diào)節(jié)閥壓損為1.47 MPa；而輸送汽油時全線所需能量較小，匯管壓力為5.52 MPa，出站壓力為3.43 MPa，調(diào)節(jié)閥開度為25%，調(diào)節(jié)閥壓損為2.09 MPa，管輸系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)見表2。由表2可知，無論管道輸送柴油還是汽油，能量浪費都很大。

表1 泵機(jī)組設(shè)備參數(shù)

使用泵—管道系統(tǒng)工作特性曲線H—Q進(jìn)行討論可以直接表現(xiàn)這一過程。如圖1所示，管道特性曲線與離心泵特性曲線相交于B點（此交點也被稱為系統(tǒng)工作點），但是由于該點對應(yīng)的流量值超過泵允許的最大流量或該值不是工藝需要的流量，因而需要一定的人為干預(yù)進(jìn)行調(diào)整，以獲得目標(biāo)流量[2]。

表2 管輸系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)

圖1 泵—管道系統(tǒng)工作特性曲線

因此需要用出站壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，這一調(diào)節(jié)過程其實是人為改變管道特性曲線的過程。如圖1所示，當(dāng)減小調(diào)節(jié)閥開度時，在調(diào)節(jié)閥的節(jié)流作用下，管道特性曲線垂直向上平移，直至管道特性曲線與泵特性曲線相交于A點[3]，即系統(tǒng)工作點沿著泵特性曲線左移至A點，對應(yīng)的揚程H*為泵額定揚程，流量Q*為額定流量。

在泵特性曲線上，系統(tǒng)工作點由B點左移至了A點，但分析管道特性曲線可知，Q*輸量下僅需要H0大小的揚程，H*與H0的差值即為壓力調(diào)節(jié)閥消耗的能量。

離心泵軸功率計算公式為：

式中：Ne為離心泵軸功率，kW；ρ為管道內(nèi)介質(zhì)密度，kg/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2；Q為泵出體積流量，m3/s；H為泵提供揚程，m。

由式（1）可知，離心泵輸出功率與過泵液體流量以及泵的揚程有關(guān)，二者的乘積直觀的表現(xiàn)在H—Q圖上即為四邊形AQOH的面積。管道在輸送柴油時由于系統(tǒng)所需能量較大，節(jié)流損失相對較小，但仍有相當(dāng)部分能量被浪費，柴油進(jìn)入管道時所需要的能量只占泵輸出能量的74.5%；管道進(jìn)行汽油輸送時能量浪費最為嚴(yán)重，管道系統(tǒng)效率僅有58.9%。

鑒于在實際工況下輸送油品能量浪費較大，該站場決定進(jìn)行節(jié)能改造。經(jīng)過多種技術(shù)方案比選后決定采用增設(shè)離心泵變頻調(diào)節(jié)，避免調(diào)節(jié)閥壓力損失過大，浪費能量。

電動機(jī)轉(zhuǎn)速與變頻器的輸出頻率呈線性關(guān)系。離心泵變頻控制后特性曲線也相應(yīng)發(fā)生變化。如圖1中黑色虛線所示，在某特定轉(zhuǎn)速下泵特性曲線下移，并與管路特性曲線相交于C點。在此工作點管輸流量為工藝所需要的目標(biāo)流量，而且由于離心泵轉(zhuǎn)速下降，泵所提供的能量恰為油品通過管路所消耗的能量，無需調(diào)節(jié)閥節(jié)流調(diào)節(jié)。

根據(jù)離心泵相似原理與比例定律：

可見泵出流量與離心泵的轉(zhuǎn)速呈正比關(guān)系，而泵揚程與轉(zhuǎn)速的二次方呈正比，所需的軸功率與轉(zhuǎn)速的立方呈正比關(guān)系[6]。例如當(dāng)管道需要流量為額定流量的70%時，可直接通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速的70%，此時泵提供的揚程僅為原來的49%，而所需功率僅為原來的34.4%。在低轉(zhuǎn)速下，單位時間內(nèi)泵送流體體積數(shù)降低，揚程與功率值均大幅降低。使用變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)后，壓力調(diào)節(jié)閥開度設(shè)定為100%。

2 變頻節(jié)能改造及效果

2.1 站場改造投資及主要工程量

項目總投資約233萬元，其中變頻器購置費用118萬元。工程量主要為以下四部分：

1）變頻器

變頻器安裝于新建變頻器室，現(xiàn)有接地系統(tǒng)做局部調(diào)整。

2）變頻器進(jìn)線斷路器柜

新增2臺真空斷路器柜作為變頻器的進(jìn)線斷路器柜，進(jìn)線柜的正常分合閘控制采用遠(yuǎn)程控制和就地控制模式，就地控制模式下在柜體上采用按鈕操作（主要用于測試），遠(yuǎn)程控制模式由變頻PLC系統(tǒng)進(jìn)行操作控制，兩臺進(jìn)線柜之間設(shè)計電氣互鎖功能，防止同時合閘情況出現(xiàn)。

3）旁路斷路器柜

利用原有2臺電機(jī)柜作為工頻運行柜，對應(yīng)關(guān)系不變。在變頻同步切換時，閉合旁路將電機(jī)切入工頻運行，特殊情況下可用于直接啟動。旁路操作同步切換由變頻PLC系統(tǒng)進(jìn)行控制。同步切換時，投切指令由站控SCADA系統(tǒng)發(fā)送給PLC系統(tǒng)，再由該PLC系統(tǒng)判斷后發(fā)出投切信號。在投切完成后，旁路斷路器的控制將由SCADA系統(tǒng)完成，在調(diào)試或變頻器就地控制狀態(tài)下，可通過PLC控制柜的按鈕手動操作。

4）變頻輸出接觸器柜

變頻器輸出柜采用真空接觸器柜，安裝于新建變頻器室內(nèi)。該柜用于變頻工作模式，在不同電機(jī)運行時，對應(yīng)的輸出柜閉合。此外，還采用了電氣互鎖，防止2臺輸出柜同時合閘。

同步切換控制系統(tǒng)由新增PLC柜組成，該系統(tǒng)可與SCADA系統(tǒng)連接，完成對變頻器、進(jìn)線DI、輸出OP、旁路BP柜的控制。

2.2 項目實施后節(jié)能效果

改造后，在原輸油能力不變的情況下，輸油能耗顯著下降，節(jié)能降耗效果明顯，詳見表3。

表3 項目實施前后能耗數(shù)據(jù)對照

3 結(jié)論

通過應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)對站場動力系統(tǒng)進(jìn)行改造，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速改變后，泵特性曲線也隨之改變，替代了使用出站壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)而造成的能量浪費。改造后，電動機(jī)輸出功率與管輸流量有效匹配，降低了能耗，系統(tǒng)效率顯著提高[7-8]。實踐證明，離心式輸油泵負(fù)載通過調(diào)速控制可節(jié)能20%～50%[9]，特別是當(dāng)管道處于低輸量運行的工況下時，應(yīng)用此項技術(shù)可產(chǎn)生更加明顯的經(jīng)濟(jì)效益。