變頻調(diào)速技術(shù)在成品油管道增輸節(jié)能中的應(yīng)用研究

石美云

（國家石油天然氣管網(wǎng)有限公司華南分公司，貴州 貴陽 550000）

在產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷壯大的背景下，如何實(shí)現(xiàn)在輸油過程中降低對能源的損耗，成為行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。對于成品油的運(yùn)輸，大多企業(yè)都會采用管道運(yùn)輸模式，在此過程中，輸油泵作為支撐管道運(yùn)輸?shù)暮诵脑O(shè)備，為國內(nèi)能源的傳輸與一線行業(yè)的發(fā)展提供了源源不斷的動力，但也由于輸油泵在作業(yè)中，會消耗大量的電能，從而造成管道輸油的潛在成本呈現(xiàn)一種增加趨勢。變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)是一項(xiàng)集現(xiàn)代先進(jìn)電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的節(jié)能技術(shù)。自世界各國將其投入工業(yè)應(yīng)用以來，它顯示出了強(qiáng)勁的競爭力，其應(yīng)用領(lǐng)域也在迅速擴(kuò)展。現(xiàn)在凡是可變轉(zhuǎn)速的拖動電機(jī)，只要采用該項(xiàng)技術(shù)就能取得非常顯著的節(jié)能效果。為了提高成品油在管道中輸送的效率與綜合水平，技術(shù)單位提出了針對此方面研究的變頻調(diào)速技術(shù)，通過對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整，進(jìn)行電泵輸能的調(diào)度。相比早期科研單位提出的技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)具有平滑性高、穩(wěn)定性優(yōu)良、可調(diào)節(jié)范圍大、調(diào)節(jié)過程中對精度要求低等優(yōu)勢。同時，在進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整與調(diào)度時，對前端系統(tǒng)或電網(wǎng)無顯著性沖擊作用，可以起到節(jié)約電能的效果。為了進(jìn)一步落實(shí)此項(xiàng)研究成果，本文將結(jié)合變頻調(diào)速技術(shù)在應(yīng)用中的優(yōu)勢，對成品油在管道輸送中的增輸節(jié)能方法展開設(shè)計(jì)研究，以此種方式，降低人工輸送油品的成本，實(shí)現(xiàn)成品油輸送的全自動化。

1 變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用

1.1 基于變頻調(diào)速技術(shù)的中壓變頻器安裝與調(diào)試

為了解決傳統(tǒng)成品油管道輸送存在的流量控制操作繁瑣、控制精度低等方面問題，本文提出對成品油管道安裝中壓變頻器的方式進(jìn)行輸送頻率的宏觀調(diào)控。借助裝置中的變頻設(shè)備，對電動機(jī)輸油壓力進(jìn)行供給，以此種方式，實(shí)現(xiàn)對輸油泵的有效調(diào)節(jié)。目前，在市場內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的中壓變頻器包括3.0kV變頻器、6.0kV變頻器與10.0kV變頻器，可將變頻器的應(yīng)用原理表示為下述計(jì)算公式：

公式（1）中：n表示為中壓變頻器調(diào)節(jié)后電機(jī)的轉(zhuǎn)速次數(shù)；1f表示為變頻器電源運(yùn)行頻率；p表示為電動機(jī)磁極對數(shù)；s表示為轉(zhuǎn)差率；0n表示為同步轉(zhuǎn)速。在公式（1）中，0n與p2個數(shù)值是固定的，為了確保對其頻率調(diào)整的可行性，將從變頻器的安裝與調(diào)試2個方面，進(jìn)行變頻器集成研究。

在進(jìn)行變頻器安裝時，需要先進(jìn)行功率部件壓力的手動釋放，并將變頻器的電機(jī)門鎖接地后打開；連接變頻器與柜機(jī)導(dǎo)軌，確保前端的DV總線與子端端口保持良好的連通狀態(tài)；對接變頻器與電纜，在變頻器終端進(jìn)行電纜的接入保護(hù)，將螺絲栓放在固定通道中進(jìn)行牢固處理，在此基礎(chǔ)上，將固定后的螺絲栓接入電纜，根據(jù)固定的情況，使用電纜夾對其進(jìn)行固定；連接電網(wǎng)，檢查電機(jī)中多個相位的電纜是否保持符合導(dǎo)線安裝標(biāo)準(zhǔn)。

在進(jìn)行變頻器調(diào)試時，先進(jìn)行變頻器安裝現(xiàn)場條件的調(diào)試。確?，F(xiàn)場安裝符合標(biāo)準(zhǔn)后，對設(shè)備進(jìn)行電源輸電穩(wěn)定供給，確保調(diào)試前對電路的完全斷開，測試斷開前后變頻器是否能夠穩(wěn)定運(yùn)行。按照前端標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)行變頻器運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整，以此種方式，確保電纜線的連接與運(yùn)行在可控條件下。在完成上述調(diào)試工作后，對變頻器在成品油運(yùn)輸控制中的空載、絕緣進(jìn)行測試，通過測試后，即可認(rèn)為安裝與調(diào)試成果符合作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 成品油管道揚(yáng)程控制

完成在裝置的安裝與調(diào)試后，引進(jìn)變頻調(diào)速技術(shù)，進(jìn)行成品油管道揚(yáng)程控制。在此過程中，需要進(jìn)行成品油輸送管道與輸送泵特性的分析，對兩者關(guān)系進(jìn)行描述，如圖1所示。

圖1 成品油輸送管道與輸送泵之間的關(guān)系

圖1中，H、Hb與H1分別表示為成品油在管道輸送中的揚(yáng)程高度，M點(diǎn)表示為輸送管道與輸送泵的工作交接點(diǎn)，在M點(diǎn)時，管線輸送成品油的總壓降與出口揚(yáng)程呈現(xiàn)對等的關(guān)系，在此種條件下，ΔH的數(shù)值為0，證明此時沒有揚(yáng)程損失。因此，可將M點(diǎn)作為變頻調(diào)速控制點(diǎn)，當(dāng)操作傳輸過程中，成品油傳輸流量降低，需要輸送泵采用主動調(diào)節(jié)閥門與開關(guān)的方式，進(jìn)行摩擦阻力的調(diào)整，此時輸送管道與輸送泵的關(guān)系曲線坡度更陡，存在部分成品油在揚(yáng)程過程中被損失。倘若在此過程中采用調(diào)速技術(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速的控制，可以使調(diào)節(jié)泵與輸送管道關(guān)系曲線呈現(xiàn)一種下移趨勢，此時管道中輸送管道與輸送泵的工作點(diǎn)被轉(zhuǎn)移到P點(diǎn)，ΔH=0，揚(yáng)程損失為0。綜上所述，通過對成品油輸送管道與輸送泵之間關(guān)系的描述，掌握不同工作點(diǎn)的揚(yáng)程損失量，采用對閥門的調(diào)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)對揚(yáng)程損失的降低甚至避免。

1.3 基于離心泵的管道傳輸調(diào)速

完成上述研究后，結(jié)合離心泵在成品油管道輸送中的應(yīng)用，進(jìn)行管道傳輸調(diào)速的研究。在此過程中，離心泵的使用可以在一定程度上提高機(jī)組或泵組對于能量的使用效率，確保需求能量與供應(yīng)能量兩者呈現(xiàn)相互匹配的關(guān)系，在此種條件下，揚(yáng)程與輸送管道的壓降相同，不存在冗余揚(yáng)程路徑，可以達(dá)到對成品油輸送中的節(jié)能作用。離心泵集成在輸油管道中，對其設(shè)定一個相對恒定的轉(zhuǎn)速，可以參照上述圖1繪制一個“揚(yáng)程—成品油流量—機(jī)組功率—泵效率—流量性能”的曲線，曲線的變化規(guī)律可以用下述計(jì)算公式表示：

公式（2）中：Q與 1Q表示為離心泵裝在管路傳輸成品油時，轉(zhuǎn)速對應(yīng)m與 1m時的輸送流量，計(jì)算單位為m3/h；H與H1表示為轉(zhuǎn)速對應(yīng)m與 1m時的揚(yáng)程高度，計(jì)算單位為m；N與 1N表示為軸功率，計(jì)算單位為kW；m與 1m表示為轉(zhuǎn)速，計(jì)算單位為r/min。按照上述計(jì)算公式，當(dāng)離心泵電動機(jī)的輸入功率呈現(xiàn)降低趨勢后，前端輸入的軸功率也對應(yīng)降低，以此種方式，便可以實(shí)現(xiàn)對離心泵管道傳輸速度的調(diào)整。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

通過本文上述論述，在引入變頻調(diào)速技術(shù)的基礎(chǔ)上，對成品油管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為了驗(yàn)證優(yōu)化后的管道是否能夠在正常運(yùn)行過程中具備增輸節(jié)能效果，選擇將優(yōu)化前與優(yōu)化后的成品油管道應(yīng)用到相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境當(dāng)中，并針對其具體的應(yīng)用效果進(jìn)行分析。選擇以某成品油生產(chǎn)與運(yùn)輸企業(yè)作為依托，將優(yōu)化前后的管道設(shè)置在兩種不同輸量條件下，并通過對其變頻參數(shù)等數(shù)據(jù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對真實(shí)成品油運(yùn)輸?shù)哪M?？紤]到本文實(shí)驗(yàn)需要，采用該企業(yè)現(xiàn)有常見KDY220-100×4型號的油泵作為研究對象，將其應(yīng)用到本文實(shí)驗(yàn)環(huán)境當(dāng)中。已知KDY220-100×4型號的油泵額定流量為280，為確保該油泵的穩(wěn)定運(yùn)輸，為其配備額定功率為710W的定速電機(jī)，并要求該油泵裝置持續(xù)24h不間斷工作。通過進(jìn)一步分析得出，該型號油泵每年消耗的電量在6000000kW以上，若按照每度電為0.5元進(jìn)行計(jì)算，每年產(chǎn)生的電費(fèi)將超過300萬元。由于成品油生產(chǎn)與運(yùn)輸企業(yè)運(yùn)營的實(shí)際需要是結(jié)合油量以及用油需要進(jìn)行不斷調(diào)整的，因此無論流量如何變化，其耗電量都是固定不變的，并且有很大一部分電能做了無用功。

首先，初步針對變頻調(diào)速技術(shù)在這一環(huán)節(jié)中的可行性進(jìn)行探究。針對該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用前后成品油管道輸送過程中異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測定，若在該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用后異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速沒有發(fā)生明顯的增加或降低變化，則說明該技術(shù)的應(yīng)用不會對成品油運(yùn)輸設(shè)備造成影響。在測定其轉(zhuǎn)速時，考慮到實(shí)驗(yàn)的客觀性，針對該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用前后，均采用公式（1）所示的公式進(jìn)行計(jì)算。將計(jì)算結(jié)果記錄，并繪制成如表1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比表。

表1 變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用前后異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速對比

結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)可以看出，在引入變頻調(diào)速技術(shù)前后異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速存在較大差異，但其轉(zhuǎn)速數(shù)值均在成品油管道運(yùn)輸要求的異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)范圍1800～3800r/min以內(nèi)，初步驗(yàn)證了變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用的可行性。同時，從表1數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析得出，在引入變頻調(diào)速技術(shù)后，隨著數(shù)量的增加，轉(zhuǎn)速并沒有出現(xiàn)隨之上升的變化，而引入技術(shù)前存在這一特點(diǎn)。當(dāng)異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速降低時，軸功率也會隨之開始降低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對油泵變頻調(diào)速節(jié)能效果。因此，綜合上述分析得出，引入該項(xiàng)技術(shù)后的傳輸方式能夠在不受輸量條件影響的情況下，保證傳輸效率的同時，實(shí)現(xiàn)更低的異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速。

在完成上述對變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用可行性驗(yàn)證后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的方法在實(shí)際應(yīng)用中的增輸節(jié)能效果，針對優(yōu)化前后成品油輸送中的揚(yáng)程進(jìn)行分析。測量得到管道輸量為760m3/h。在實(shí)驗(yàn)過程中，針對優(yōu)化前后2種管道的輸送揚(yáng)程進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為：

公式（3）中，L表示為管道輸送揚(yáng)程；2P表示為管道出口位置上成品油的壓力；1P表示為管道入口位置上成品油的壓力；ρ表示為成品油的密度；G表示為成品油在運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的重力加速度；V表示為成品油在運(yùn)輸過程中的流速；Z表示為成品油進(jìn)入管道與排出管道的高度差。根據(jù)公式（1）計(jì)算得出2種管道在對成品油運(yùn)輸過程中的揚(yáng)程，并在成品油輸送里程的各個節(jié)點(diǎn)上對其揚(yáng)程數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。成品油輸送里程節(jié)點(diǎn)為1.0×106km、5.0×106km、10.0×106km、15.0×106km。根據(jù)上述內(nèi)容，開展實(shí)驗(yàn)，并將最終得出的優(yōu)化前后2種管道的成品油輸送揚(yáng)程記錄下來，如圖2所示。

圖2 揚(yáng)程距離對比結(jié)果

在相同的成品油輸送里程條件下，成品油輸送揚(yáng)程越高，則輸油泵出口位置上的節(jié)流閥節(jié)流損失量越高；反之，成品油輸送揚(yáng)程越低，則輸油泵出口位置上的節(jié)流閥節(jié)流損失量越低。根據(jù)上述理論可以進(jìn)一步分析得出，成品油輸送中的揚(yáng)程越高，管道的增輸節(jié)能效果越差；反之同理。在上述理論基礎(chǔ)上，從圖2優(yōu)化前后2種管道的揚(yáng)程距離對比結(jié)果可以看出，隨著成品油輸送里程的不斷增加，優(yōu)化前的管道揚(yáng)程變化幅度十分明顯，并且最高揚(yáng)程超過了1800m，嚴(yán)重不符合成品油管道運(yùn)輸?shù)脑鲚敼?jié)能效果要求，而按照本文提出的優(yōu)化方法優(yōu)化后的成品油管道揚(yáng)程隨著成品油輸送里程的增加，呈現(xiàn)出緩慢上升的趨勢，并且在15.0×106km時成品油輸送揚(yáng)程僅為1000m，能夠充分滿足成品油管道增輸節(jié)能的設(shè)計(jì)需要，降低能源浪費(fèi)。通過上述綜合論述分析得出，在引入變頻調(diào)速技術(shù)的基礎(chǔ)上，將本文優(yōu)化后的管道應(yīng)用于成品油加工與生產(chǎn)領(lǐng)域當(dāng)中，可以為企業(yè)綠色節(jié)能發(fā)展提供重要技術(shù)支撐條件。

3 結(jié)語

本文從中壓變頻器安裝與調(diào)試、成品油管道揚(yáng)程控制、基于離心泵的管道傳輸調(diào)速3個方面，對基于變頻調(diào)速技術(shù)的成品油管道增輸節(jié)能方法展開了設(shè)計(jì)研究，完成設(shè)計(jì)后，將優(yōu)化前的輸送方法與優(yōu)化后的輸送方法進(jìn)行對比，對比后證明了本文設(shè)計(jì)的方法能夠充分滿足成品油管道增輸節(jié)能的設(shè)計(jì)需要，降低能源損耗，減少輸送中的成品油揚(yáng)程里程，達(dá)到成品油管道增輸節(jié)能的優(yōu)化設(shè)計(jì)效果。此外，可將本文研究成果在市場內(nèi)進(jìn)行推廣，以此種方式，為現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行助力。