石油化工管道輸油泵節(jié)能技術(shù)分析與應(yīng)用

葛友匯（九江石化設(shè)計工程有限公司，江西 九江332000）

1 管道三種流量調(diào)節(jié)方式

石油化工管道的流量調(diào)節(jié)主要是通過改變管路特性曲線或是離心泵特性曲線實現(xiàn)的，目前常用的調(diào)節(jié)方式有調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)、泵打回流調(diào)節(jié)和改變離心泵轉(zhuǎn)速[1]。以下結(jié)合管路和離心泵特性曲線對這三種調(diào)節(jié)方式進(jìn)行介紹和技術(shù)比較。

1.1 調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)

采用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)是傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式，它是通過節(jié)流改變管路特性曲線來進(jìn)行調(diào)節(jié)的。由圖1所示，當(dāng)流量為Q1時，系統(tǒng)在a 點（通常稱為泵和管道系統(tǒng)的工作點）工作，當(dāng)操作流量從Q1減少到Q2時，由于管路特性曲線R 不變，管路需要的揚程將由Ha下降到Hc；由于泵特性曲線不變，泵提供的揚程將由Ha上升到Hb，這時泵提供的揚程和管路所需要的揚程不匹配。為了使系統(tǒng)達(dá)到新的平衡，通過關(guān)小閥門，增大閥門阻力降，則管道的特性曲線變陡，如圖1所示，管道特性曲線由R變?yōu)镽’，機(jī)泵運行工作點從a 點移到b 點[2]。這種調(diào)節(jié)方式主要存在的問題是會有（Ha-Hc）的揚程消耗在調(diào)節(jié)閥節(jié)流上，造成一定的水頭損失。

圖1 調(diào)節(jié)閥流量調(diào)節(jié)示意圖

1.2 泵打回流調(diào)節(jié)

采用泵打回流調(diào)節(jié)是通過人為增大離心泵入口流量以便適應(yīng)泵特性曲線來進(jìn)行調(diào)節(jié)的。由圖2所示，當(dāng)操作流量從Q1減少到Q2時，可通過泵打回流使泵的實際通過流量由Q2增大到Q3，此時泵提供的揚程為Hc，滿足流量為Q2時管路所需要的能量。這種調(diào)節(jié)方式主要存在的問題是泵對（Q3-Q2）這部分流量做無用功，增加能耗。

圖2 泵打回流流量調(diào)節(jié)示意圖

1.3 改變泵轉(zhuǎn)速

采用改變泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是在管道降量輸送下最節(jié)能的調(diào)節(jié)方式，它是通過調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速改變泵特性曲線來進(jìn)行調(diào)節(jié)的[3]。由圖3所示，當(dāng)操作流量從Q1減少到Q2時，可調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速，使泵的特性曲線下移，運行工況點將從a 點移到b 點。這時泵的出口揚程正好等于管道所需要揚程，不存在揚程損失，也不存在泵打回流調(diào)節(jié)方式下的功率損失。

表-1 液力耦合器和變頻器性能對比表

圖3 變泵轉(zhuǎn)速流量調(diào)節(jié)示意圖

2 液力偶合器和變頻裝置比較

在石油石化管道上運用液力耦合器和變頻器都是為了調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，使泵的特性曲線發(fā)生變化從而避免調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失，兩者達(dá)到的結(jié)果是相同的，只是實現(xiàn)的方式不同。下面介紹液力偶合器和變頻裝置的工作原理并對其性能進(jìn)行對比分析。

2.1 液力偶合器的工作原理

液力耦合器安裝在原動機(jī)與離心泵之間，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示，主要由殼體、泵輪和渦輪組成，其工作原理是利用液體為工作介質(zhì)的一種液力傳動裝置。

圖4 液力耦合器結(jié)構(gòu)示意圖

液力耦合器的渦輪和泵輪相對安裝，上面有徑向排列的葉片，兩者之間存在一定間隙，互不接觸。泵輪與渦輪組成一個可使液體循環(huán)流動的密閉工作腔，泵輪裝在輸入軸上，渦輪裝在輸出軸上。動力機(jī)帶動輸入軸旋轉(zhuǎn)時，液體被離心式泵輪甩出，這種高速液體進(jìn)入渦輪之后就推動渦輪旋轉(zhuǎn)，將從泵輪獲得的能量傳遞給輸出軸。最后液體又返回泵輪，如此反復(fù)的動作形成周而復(fù)始的流動[4]。密閉工作腔內(nèi)工作液的流量決定了能量傳遞的多少，可以通過勺管來調(diào)節(jié)工作液的流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速。

2.2 變頻裝置的工作原理

變頻裝置是安裝在供電電源和電機(jī)之間，通過改變電源的頻率從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，而電機(jī)轉(zhuǎn)軸直接與泵相連，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化必然導(dǎo)致泵的轉(zhuǎn)速變化。

異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速n表達(dá)式為[5]：

式中：f 為輸油泵電機(jī)的電源頻率，Hz；P 為電機(jī)的磁極對數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率；n為異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min。

由公式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率s 變化不大時，轉(zhuǎn)速n 與頻率f 成正比，通過改變電機(jī)頻率f，即可改變異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n。

2.3 液力耦合器和變頻裝置性能比較

目前在國內(nèi)，無論是長輸管道輸油泵還是石油化工用輸油泵，大部分還是采用變頻裝置來實現(xiàn)調(diào)速，液力耦合器應(yīng)用不多，但在帶式輸送機(jī)、給水泵和大型風(fēng)機(jī)等方面有較多的應(yīng)用。本文從8個方面對液力耦合器和變頻器的優(yōu)缺點進(jìn)行詳盡的對比，具體見表-1。

3 SPS模擬定速泵和裝有液力耦合器泵運行工況

3.1 SPS軟件和工程實例介紹

SPS（SYNERGEE PIPELINE SIMULATOR）是DNV GL 公司開發(fā)的一款世界公認(rèn)的瞬態(tài)流體仿真應(yīng)用軟件，其主要可對管道系統(tǒng)的水力、熱力工況進(jìn)行模擬以及系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程進(jìn)行仿真[10]。

本文以國內(nèi)某輸油管道為例，采用SPS 軟件對定速泵和變速泵運行工況進(jìn)行模擬，該管道具體參數(shù)如下：全長450km，管徑DN350，設(shè)計壓力10.0MPa，沿線共設(shè)8 座泵站，設(shè)計輸量為880m3/h，管道實際輸量只有650m3/h，共設(shè)有16臺液力耦合器。

3.2 裝有液力耦合器泵運行工況仿真

SPS仿真軟件中包含控制器、繼電器、組件傳感器、執(zhí)行器，能夠完整地模擬離心泵PID控制系統(tǒng)[7]。如圖5所示，以該管道某離心泵邏輯控制簡圖為例，說明如何使用軟件中的PID控制元件來實現(xiàn)泵轉(zhuǎn)速的控制。

為防止進(jìn)站壓力過低和出站壓力過高，在進(jìn)站閥B0302上游設(shè)置傳感器S03SPS、在出站閥B0305 下游設(shè)置傳感器S03DPS，分別用于檢測該兩點的壓力。傳感器與各自控制器信號聯(lián)鎖，在控制器接收到壓力信號后，與各自初始設(shè)定的限定值進(jìn)行分析對比。如進(jìn)站壓力低于設(shè)定值，則控制器C03SPS向繼電器Y03 發(fā)出低壓力信號，如出站壓力高于設(shè)定值，控制器C03DPS 向繼電器Y03 發(fā)出高壓力信號，繼電器接收到壓力異常信號后，將聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)站閥或出站閥；如管道進(jìn)、出站壓力保持正常狀態(tài)，未超出預(yù)先設(shè)定的限定值時，則進(jìn)、出站控制閥保持全開狀態(tài)。

表-2給出了該管道在某工況下，5、6號泵站離心泵的運行工況。由該表可知，將6號泵站進(jìn)站壓力設(shè)定為0.35MPa時，通過液力耦合器改變5號泵站輸油泵轉(zhuǎn)速，從而改變該泵的運行工況，使得泵的出口揚程剛好等于管路總摩阻加上6號泵站進(jìn)站所需揚程，沒有剩余揚程，此時，5 號泵站出站調(diào)節(jié)閥處于全開狀態(tài)，避免了節(jié)流調(diào)節(jié)方式下的能頭損失，大大降低了能耗。

圖5 SPS模擬離心泵PID邏輯控制簡圖

表-2 輸油泵運行工況一覽表

3.3 調(diào)速前后技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益對比

經(jīng)模擬仿真發(fā)現(xiàn)：在450m3/h低輸量下，泵機(jī)組調(diào)速前轉(zhuǎn)速為恒定轉(zhuǎn)速2870r/min，調(diào)速后轉(zhuǎn)速大概在2000r/min；調(diào)速前揚程為恒定值1325m，調(diào)速后各輸油泵揚程大概在500m；調(diào)速前軸功率為恒定值1235KW，調(diào)速后各輸油泵功率大概在600KW；調(diào)速前各泵站出口調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失約為5.0MPa，調(diào)速后泵的出口壓力剛好等于管路摩阻加下游泵站的進(jìn)口壓力，沒有多余揚程，且上游泵站出口調(diào)節(jié)閥全開，沒有節(jié)流損失。

以該管道為例，對使用液力耦合器前后的運行費用進(jìn)行測算：電價按0.6元/kW·H 計，考慮液力耦合器8%的效率損失，年節(jié)約5000 萬元運行成本，節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益明顯。該管道16 臺液力耦合器的投資回收期不到半年，且隨著輸量變化增大，經(jīng)濟(jì)效益愈發(fā)顯著。

4 結(jié)語

變頻器調(diào)速技術(shù)和液力耦合器調(diào)速技術(shù)都是通過調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速從而達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。作為傳統(tǒng)的變頻器調(diào)節(jié)技術(shù)，具有較高的效率等優(yōu)點，但存在費用高、操作復(fù)雜且存在污染電網(wǎng)以及高壓電磁輻射損害人員健康等諸多缺點；而液力耦合器調(diào)速技術(shù)具有操作簡單、價格便宜、運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢，但其核心技術(shù)主要掌握在德國液力耦合器制造商福伊特公司。本人建議國內(nèi)相關(guān)科研單位應(yīng)重視液力耦合器調(diào)速技術(shù)的科研攻關(guān)，隨著相關(guān)設(shè)計理念不斷突破創(chuàng)新、理論與實際不斷結(jié)合，該技術(shù)必將在石油化工行業(yè)泵和壓縮機(jī)調(diào)速領(lǐng)域取代傳統(tǒng)變頻器調(diào)速技術(shù)，具有極為廣泛的應(yīng)用空間。