基于 能耗監(jiān)測系統(tǒng)的主輸泵 增效提量改造

文/ 楊瀅

0 引言

機泵是管道的“心臟”，是主要的輸油動力設(shè)備，也是成品油管道運輸過程中主要的耗能設(shè)備。國內(nèi)某成品油管網(wǎng)年輸油耗電超3億kW·h，其中主輸泵用電占比高達98%。成品油管道輸送節(jié)能降耗工作的重點在主輸泵，在目前成品油管道提量增輸?shù)谋尘跋?，輸油泵原先設(shè)計的揚程、功率及泵排量與實際需求不匹配，導(dǎo)致部分泵效率偏低，造成運行的極大浪費。

國內(nèi)某成品油管網(wǎng)將分布在6000多公里管線上的主要能耗設(shè)備統(tǒng)一接入和管理，進行數(shù)據(jù)集成處理，依托大數(shù)據(jù)分析平臺構(gòu)建能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過能耗監(jiān)測系統(tǒng)分析輸油泵效率偏低的原因，進而提高輸油泵效率、降低泵耗能。在國家承諾2030年前實現(xiàn)碳排放達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和的大背景下，對于成品油管網(wǎng)這種高能耗的企業(yè)，以能耗監(jiān)測系統(tǒng)對主輸泵等關(guān)鍵設(shè)備進行節(jié)能降耗研究具有較大意義。

本文利用成品油管網(wǎng)能耗監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱“能耗監(jiān)測系統(tǒng)”），對泵的運行效率進行實時監(jiān)測，識別管網(wǎng)系統(tǒng)中低效運行的輸油泵，分析原因后進行配泵策略優(yōu)化或增效改造，以達到提高輸油系統(tǒng)效率、進一步挖掘企業(yè)節(jié)能潛力的目的。最后，文章提出能耗監(jiān)測系統(tǒng)指導(dǎo)主輸泵高效運行的一般流程，為今后能耗監(jiān)測系統(tǒng)升級和主輸泵增效提量改造工作提供理論支持。

1 主輸泵能耗及效率分析

該成品油管網(wǎng)現(xiàn)有輸油泵站36座，共有輸油泵152臺，輸油泵平均額定效率為81%，主輸泵品牌、投用時間及平均額定效率統(tǒng)計如圖1所示。

圖1 不同品牌主輸泵數(shù)量及平均額定效率統(tǒng)計

根據(jù)能耗監(jiān)測系統(tǒng)，統(tǒng)計出2020年6月至2021年4月該成品油管網(wǎng)主輸泵運行效率。目前，主輸泵平均運行效率為76.9%，低于平均額定效率的81%，且還有超過1/5數(shù)量的泵運行效率低于70%。通過查詢《GB/T 34165－2017 油氣輸送管道系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》，這些泵的運行效率低于節(jié)能評價值。此外，通過能耗監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，不同的離心泵工作效率差異較大，在同等條件下運行，不同離心泵之間的工作效率差異可達15%以上。經(jīng)分析，主輸泵效率低的主要原因有以下幾個方面：

（1）泵本身效率低。通過對不同品牌主輸泵平均額定效率統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)外資品牌如品牌C、品牌D等多數(shù)離心泵額定點的效率已達到國際先進水平 ，平均額定效率分別為85%和81%；而國產(chǎn)品牌如品牌A、品牌B的主輸泵平均額定效率分別為83%和78%，相較于外資品牌低2%～3%，部分泵型額定效率較低成為節(jié)能改造的瓶頸，使常規(guī)改造的上限空間較小。

（2）泵實際運行效率低。從離心泵的特性曲線可知：泵效隨排量的增大而提高，在某一范圍內(nèi)效率達到最高；而當(dāng)流量偏離這一范圍時，泵效就會降低。泵設(shè)計選型與實際運行不匹配，往往導(dǎo)致泵長期在低效區(qū)間運行。經(jīng)統(tǒng)計，目前全線仍有接近1/2泵的常運行流量偏離額定流量，如圖2所示。

圖2 主輸泵常運行流量偏離情況

（3）其他原因，例如，對輸油泵的維護、保養(yǎng)與檢修不夠，葉輪不能及時更新和修理等。經(jīng)統(tǒng)計，目前已有約3/4的泵投用時間超過5年，有約3/5的泵投用時間超過10年，長時間運行使泵內(nèi)造成各種損失，從而引起運行效率的下降。

2 典型低效主輸泵增效提量改造實例

在了解影響主輸泵效率的主要原因后，結(jié)合能耗監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對長時間處于低效運行的主輸泵進行分析，對換泵、改造或維修等備選方案進行經(jīng)濟效益比選后，確定最優(yōu)的技術(shù)方案，以通過提高泵運行效率達到節(jié)能降耗的目的。 主輸泵運行效率會因泵選型不當(dāng)或?qū)嶋H運行工況變動，與最初設(shè)計有一定偏差。下文通過對能耗監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析比對，選取較為典型的某支線泵為例，結(jié)合設(shè)備返廠測試數(shù)據(jù)和常運行工況，對其進行分析及改造。

2.1 概況

該支線全長175km，管道外徑為219mm，設(shè)計壓力為5MPa，相對獨立于整個水力系統(tǒng)。其常用流量有100m3/h、160m3/h、200m3/h，工作流量范圍跨度大，而某輸油站泵0333-C-P-001Z是該條支線上唯一的一臺小泵，與多個運行流量相匹配，使用頻率極高，其運行效率直接影響該條支線的輸油效率。通過觀測與分析，該泵常運行工況點長期偏離設(shè)計工況，因此選擇此泵進行分析。

2.2 泵效分析

2.2.1 離心泵的工作點及高效工作區(qū)

離心泵運行效率的高低取決于其運行工作點的位置。由于離心泵串聯(lián)在管路中，所以泵的流量和揚程須同時滿足管路特性方程L=f1(q v)和泵的特性方程H=f2(qv)，即泵的工作點P為管路特性曲線和泵特性曲線的交點（見圖3）。離心泵的工作點P對應(yīng)的效率較高即可夠滿足經(jīng)濟性要求，可通過提升殼體光潔度等減少水力摩擦的措施來提高額定點效率。

由于“陸賈賦”與“荀卿賦”所屬各家中絕大部分作品已經(jīng)亡佚，所以我們只能通過對現(xiàn)存少量作品及相關(guān)史料進行分析，以期能夠找到線索。資料有限，臆斷之說在所難免，論述多有粗淺之處，敬請批評。

圖3 離心泵的工作點和高效工作區(qū)

為使得離心泵的工作點能對應(yīng)離心泵效率較高，在泵的效率特性曲線上由ηmax向下移動△η=5%～8%，得到離心泵工作的高效率范圍a、b，由a、b作q軸的垂線與H - qv特性曲線交于A、B，則AB之間為離心泵的高效工作區(qū)。當(dāng)離心泵的工作點落在AB之間，說明離心泵在高效率狀態(tài)下運行，可通過切割葉輪或改變轉(zhuǎn)速來改變離心泵的特性曲線，使離心泵的工作點落在高效工作區(qū)。

2.2.2 支線泵泵效分析

根據(jù)該泵的安裝使用說明書，其額定流量為220m3/h，對應(yīng)額定點效率為73%，遠低于管網(wǎng)泵平均額定效率81%，甚至低于管網(wǎng)泵平均運行效率76.9%，泵效率極低。通過現(xiàn)場測定，其在常用流量180m3/h（約為額定流量的82%）時，實際運行效率僅為65%，而其正常運行工況點流量為額定流量的45%～90%之間，泵偏離高效工作區(qū)較遠。泵額定及測試參數(shù)見表1。

表1 某輸油泵額定及測試參數(shù)

一般泵高效工作區(qū)在泵出廠后就已確定，在管線設(shè)計和運行過程中可結(jié)合水力系統(tǒng)，根據(jù)實際運行流量選取處在低效工作區(qū)的泵加以提升效率。而該支線泵額定效率較低，且運行流量范圍偏離高效工作區(qū)較遠，故有必要進行泵效改造以適應(yīng)常運行流量要求。

2.3 確定增效執(zhí)行標準及預(yù)期

2.3.1 增效執(zhí)行標準

此泵為BB1 型兩級單吸葉輪結(jié)構(gòu)，泵額定點參數(shù)：流量Q=220m3/h，揚程H=220m，轉(zhuǎn)速n=2980r/min，泵在額定工況點的比轉(zhuǎn)速ns為：

表2 泵效限定值及節(jié)能評價值

2.3.2 預(yù)期目標

根據(jù)GB/T 19762－2007 《清水離心泵能效限定值及節(jié)能評價值》，在額定工況下，流量Q=220m3/h，揚程H=220m，轉(zhuǎn)速為2980r/min，效率η≥75%，才能符合節(jié)能要求。需要拓寬該泵的高效工作區(qū)范圍，以更接近運行工況點運行。

2.4 技術(shù)措施

本次提效改造以提高額定點效率及拓寬高效工作區(qū)為主要目標，按費用最少、周期最短的要求，結(jié)合該泵型的實際運行特點，擬定總體方案如下:

（1）設(shè)計新葉輪，對該泵兩級葉輪部件全部進行更換。根據(jù)原始圖紙并結(jié)合現(xiàn)場測繪，保證所設(shè)計新葉輪安裝尺寸與原葉輪一致，泵體、軸、軸承體及支撐機構(gòu)等利舊。

（2）采用涂層及打磨方式提升殼體過流斷面光潔度。

2.5 增效結(jié)果

2.5.1 改造前

泵入廠后進行了性能試驗，在額定工況下，流量Q=220m3/h，揚程H=220m，轉(zhuǎn)速為2980r/min，效率η≈69.6%。

2.5.2 改造后

回裝新葉輪確定泵頭滿足水試條件后，根據(jù)《輸油泵試驗大綱》對泵頭進行性能試驗，經(jīng)試驗，在額定工況下，流量Q=220m3/h，揚程H=220m，轉(zhuǎn)速為2980r/min，效率η≈76%。

2.5.3 性能對比

圖4為提效前后泵的效率對比曲線，可以看出效率曲線整體向上偏移，提升效果明顯，額定效率由改造前的69.6%提升至76.0%（大于泵節(jié)能評價值75%）；同時，泵的高效工作區(qū)由從對應(yīng)流量為150 m3/h～220m3/h 拓 寬 至130 m3/h～220m3/h， 且100 m3/h～130m3/h非高效工作區(qū)運行工況的效率也明顯提高，改造后的效率曲線與常運行工況100m3/h～220 m3/h更為匹配。通過對泵進行改造，完成了提高額定點效率和拓寬高效工作區(qū)兩大預(yù)期目標，提升了該泵運行效率，滿足增輸要求的同時節(jié)約大量電能，降低用電成本。經(jīng)核算，本次對該支線泵的改造，平均提升泵效4.4%，預(yù)計年總節(jié)電62.7萬千瓦時，年總節(jié)約電費39.1萬元，具有較好的經(jīng)濟效益。

圖4 提效前后泵效率對比

3 結(jié)論和建議

通過對能耗監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，結(jié)合某輸油部主輸泵的改造試驗，總結(jié)能源監(jiān)測系統(tǒng)用于指導(dǎo)設(shè)備運行策略的基本流程：

（1）根據(jù)能耗監(jiān)測系統(tǒng)中的能耗數(shù)據(jù)，整體分析公司主輸泵能耗情況，找出長期處于低效運行的主輸泵；結(jié)合相應(yīng)的運行記錄數(shù)據(jù)逐項分析，找出設(shè)備運行可能存在的問題，并對涉及的主要設(shè)備進行現(xiàn)場測試，以進一步確認系統(tǒng)存在的問題，并找出問題原因、制定解決方案，通過相應(yīng)改造或調(diào)整運行策略解決問題。

（2）對已改造的主輸泵進行經(jīng)濟效益分析，制定可執(zhí)行的主輸泵增效提量改造標準，設(shè)計可提供改造方案經(jīng)濟效益的測算模型，展示葉輪切削和整泵更換的經(jīng)濟效益比對結(jié)果，進一步升級能耗監(jiān)測系統(tǒng)，幫助管理者綜合確定最優(yōu)技術(shù)方案。