高压变频调速节能技术在油田输油泵机组上的应用效果分析
日期：2008-8-11 22:49:49 来源：中国自动化网
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摘要：输油泵是油库生产运行中主要能耗设备。原来一般通过控制输油泵出口阀门的开度来调节流量，大量的能源消耗在泵出口阀前后。我们在南一油库6KV630KW输油泵机组上应用了一套北京利德华福公司生产的高压变频调速系统，通过改变输油泵的转速进行流量调节，降低了输油单耗，节约了电能，改善了工艺。
关键词：输油 节能 高压变频器 利德华福
一、 问题的提出
大庆油田南一油库主要接收油田两大主力采油厂－采油一厂、采油二厂来油，总储量50×104m3，装备有5台输油泵机组。输油泵机组的主要技术参数见表1。
表1：南一油库输油泵机组技术参数
由于输油泵和输油管道的特性不匹配（在泵选型过程，不可能选择到完全与管路特性匹配的输油泵），在不同的实际运行工况下，需通过调节输油泵出口阀门来调节流量，据统计5台输油泵在单泵、双泵、三泵并联运行，三种不同运行状况下，输油泵阀门出口最大开度不超过10%（超过10%开度时易造成输油泵电机超过额定电流而导致电机超负荷运行）。这种运行工况造成在输油泵出口阀门的前后存在着较大的泵管压差，由于泵出口阀门的节流造成了大量的能源损失，输油泵做了大量的无用功，缩短了输油泵机组的维护周期和使用寿命。不同运行工况下输油泵出口阀门前后泵管压差统计情况如表2所示。
表2：不同运行工况下输油泵出口前后泵、管压差统计
注：上表中数据以南一油库2002年实际运行工况数据统计，表中数据为平均值。
由表2可见，南一油库输油泵在单泵、双泵并联、三泵并联几种匹配运行模式下，泵出口阀前后约平均有1.2Mpa、0.7Mpa、0.4Mpa的节流损失。在泵出口阀门前后，三种工况下（单泵、双泵并联、三泵并联）由于泵出口阀节流而产生的节流损失为：
N损i=0.278P损iQi
式中： N损i：不同工况下的阀门节流损失功率，kW
P损i：不同工况下的阀门节流损失压力，Mpa
Qi：不同工况下单泵的排量，m3/h
N损1=0.278×1.2×750=250kW 250kW/630kW=39.7%
N损2=0.278×0.7×700=136kW 36kW/630kW×100%=21.6%
N损3=0.278×0.4×640=71KW 71KW/630KW×100%=11.3%
由上面计算可知，单泵、双泵并联、三泵并联三种工况下，由于输油泵出口阀门的节流损失占其额定功率的39.7%、21.6%、11.3%。
可见，能源的浪费是十分惊人的。因此，有必要在输油泵机组上应用变频调速技术，以达到依据不同的运行工况，通过变频运行来满足运行工况要求。使用变频调速技术后，泵出口阀全开，就可以避免原运行方式造成的节流损失。
二、 输油泵机组变频调速节能技术原理
根据离心泵的特性，其工况的调节主要是调节流量，而离心泵调节流量最常用的两种方法一是通过调节泵出口阀的开度进行调节，另一种则是通过改变离心泵的转速进行调节，前者虽然调节方便，但造成能源浪费巨大；通过对输油泵电机的变频改变电机的转速，来实现输油泵的工况调节，是满足工艺运行条件下的一条可行的技术途径。
由离心泵的特性可知，在管路特性曲线不变的情况，改变离心泵转速后，其性能参数的改变由下式确定
Q∝N，H∝N2,P∝N3
由以上离心泵转速改变前后的关系式方知，如果离心泵转速有很小的降低，则离心泵所需的输入功率会大幅度地降低，从而产生明显的节能效果。
A即为额定工况点，C点为调节阀门时的运行点。在变频状态下，离心泵转速为N2时，工况点变为B点，即为新的工况点，此时Q不变，即保持离心泵排量不变，但泵的扬程由H3减少为H2，因此在保证满足输油量的情况下，通过削减离心泵扬程节约的能量为ΔP＝(H3－H2) Q2 η 。这就是离心输油泵变频节能的原理。
三、 高压变频调速系统的选择
目前，6kV高压变频调速系统处于技术发展阶段，其基本原理均为通过“交一直一交”的逆变过程，通过改变电机定子的电压频率从而改变电机的转速。高压电机调速的方式从技术实现途径上又可分为“高一低一高”、“高一高”、“IGBT直接串联”等几种方式。其中“高一低一高”方案中需多一级升压变压器，设备结构庞大，系统效率相对较低，属于落后淘汰技术。“高一高“方式直接采用6kV电压输入，6kV输出无须升压变压器，系统效率相对较高，目前该形式变频调速系统应用较多。“IGBT直接串联”型变频器采用1700V高压IGBT器件，具有器件数量少，占地空间小等优点，但由于IGBT器件直接串联从技术性能等方面尚不成熟，在技术上带有一定的风险性。通过充分调研国内外各种6kV变频调速系统的应用情况和进行各种变频调速系统的技术经济性论证，最终选用北京利德华福公司生产的HARSVERT-A06/076型高压变频调速系统应用于南一油库2#输油泵机组上。该变频调速系统的主要技术参数为：
? 逆变主回路方式：单元串联多电平
? 额定容量：790kVA
? 额定输出电流：76A
? 额定输出电压：6kV
? 输入频率：45 Hz －50Hz
? 输出频率范围：0.1 Hz～50 Hz
? 输出频率分辨率：0.01HZ
? 输入端功率因数：大于20%额定负载时>0.95
? 变频系统效率：>96%
? 过载保护：120%一分钟，150%三秒，200%立即保护。
? 加减速时间：0.1—3000s可调
? 谐波控制：输入电流<4%，输出电压4%，输出电流2%
? 模拟量输入信号：0－10V/4－20mA任意设定
? 模拟量输出信号：两路0－10V/4－20mA可选
? 外部通讯接口：RS485
? 外壳防护等级：≥IP20
? 冷却方式：风冷；
? 运行环境温度：0～40℃
四、 技术方案
高压变频调速系统应用输油泵机组固然可产生较好的节能效益，但由于输油系统属于油库生产中的一个重要枢纽环节，长时间连续运转，除对设备本身要求有较高的可靠性之外，在技术方案上必须与现场的工艺特点相结合，充分考虑现场操作，启动、停机，以及调节等诸方面的安全性，适用性和方便性。本系统在应用中采用了以下技术措施。
① 系统具备工频、变频手动切换功能。一旦变频系统出现种故障，可以手动切换到工频档，将变频系统甩开，在变频系统维修期间可正常保障输油泵的运行，满足油库生产的需要。
② 系统的运转频率的调节采用开环手动调节方式。考虑到输油系统要求安全平稳运行的特点，本系统不宜采用闭环调节控制。因为受整个输油系统管网波动的影响，如采用闭环控制，很容易造成系统的自动停机，或者引起整个输油系统的扰动，给输油生产的调度指挥带来不利的影响。而采用开环人工控制，通过一定运行时间的技术摸索，在不同工况下，人为地设定和调整变频系统的参数，即可减少部分初期投资，又可保障输油系统的安全平稳运行。
③ 现场设置、启动、停止以及紧急停机按钮，控制室内设上位机对运行参数进行实时显示，极大地方便了现场操作人员的操作和对设备运行状态的监视。
④ 优化系统的保护参数，确保输油系统的连续平稳运行。在应用于输油系统时必须慎重选择，并对一些保护的参数按实际需要进行设置。避免由于变频系统的保护过于灵敏而造成输油泵停机，影响输油系统的安全平稳运行。
⑤ 在变频调速系统内设置适合于现场实际的报警功能，并对运行的参数，操作情况，故障情况具有详细的记录功能。
五、 应用效果
南一油库2#输油泵机组变频调速系统于2003年4月18号正式投运成功，经过两个月的试运行，取得了明显的节能效果，对于在单泵运行，双泵并联运行、三泵并联运行等不同的工况下，对比数据分别见表3、表4、表5所示。
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关键词：输油 节能 高压变频器 利德华福
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一、 问题的提出
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大庆油田南一油库主要接收油田两大主力采油厂－采油一厂、采油二厂来油，总储量50×104m3，装备有5台输油泵机组。输油泵机组的主要技术参数见表1。
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表1：南一油库输油泵机组技术参数
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由于输油泵和输油管道的特性不匹配（在泵选型过程，不可能选择到完全与管路特性匹配的输油泵），在不同的实际运行工况下，需通过调节输油泵出口阀门来调节流量，据统计5台输油泵在单泵、双泵、三泵并联运行，三种不同运行状况下，输油泵阀门出口最大开度不超过10%（超过10%开度时易造成输油泵电机超过额定电流而导致电机超负荷运行）。这种运行工况造成在输油泵出口阀门的前后存在着较大的泵管压差，由于泵出口阀门的节流造成了大量的能源损失，输油泵做了大量的无用功，缩短了输油泵机组的维护周期和使用寿命。不同运行工况下输油泵出口阀门前后泵管压差统计情况如表2所示。
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表2：不同运行工况下输油泵出口前后泵、管压差统计
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注：上表中数据以南一油库2002年实际运行工况数据统计，表中数据为平均值。
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由表2可见，南一油库输油泵在单泵、双泵并联、三泵并联几种匹配运行模式下，泵出口阀前后约平均有1.2Mpa、0.7Mpa、0.4Mpa的节流损失。在泵出口阀门前后，三种工况下（单泵、双泵并联、三泵并联）由于泵出口阀节流而产生的节流损失为：
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N损i=0.278P损iQi
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式中： N损i：不同工况下的阀门节流损失功率，kW
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
P损i：不同工况下的阀门节流损失压力，Mpa
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Qi：不同工况下单泵的排量，m3/h
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N损1=0.278×1.2×750=250kW 250kW/630kW=39.7%
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N损2=0.278×0.7×700=136kW 36kW/630kW×100%=21.6%
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N损3=0.278×0.4×640=71KW 71KW/630KW×100%=11.3%
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由上面计算可知，单泵、双泵并联、三泵并联三种工况下，由于输油泵出口阀门的节流损失占其额定功率的39.7%、21.6%、11.3%。
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可见，能源的浪费是十分惊人的。因此，有必要在输油泵机组上应用变频调速技术，以达到依据不同的运行工况，通过变频运行来满足运行工况要求。使用变频调速技术后，泵出口阀全开，就可以避免原运行方式造成的节流损失。
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二、 输油泵机组变频调速节能技术原理
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根据离心泵的特性，其工况的调节主要是调节流量，而离心泵调节流量最常用的两种方法一是通过调节泵出口阀的开度进行调节，另一种则是通过改变离心泵的转速进行调节，前者虽然调节方便，但造成能源浪费巨大；通过对输油泵电机的变频改变电机的转速，来实现输油泵的工况调节，是满足工艺运行条件下的一条可行的技术途径。
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由离心泵的特性可知，在管路特性曲线不变的情况，改变离心泵转速后，其性能参数的改变由下式确定
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Q∝N，H∝N2,P∝N3
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由以上离心泵转速改变前后的关系式方知，如果离心泵转速有很小的降低，则离心泵所需的输入功率会大幅度地降低，从而产生明显的节能效果。
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A即为额定工况点，C点为调节阀门时的运行点。在变频状态下，离心泵转速为N2时，工况点变为B点，即为新的工况点，此时Q不变，即保持离心泵排量不变，但泵的扬程由H3减少为H2，因此在保证满足输油量的情况下，通过削减离心泵扬程节约的能量为ΔP＝(H3－H2) Q2 η 。这就是离心输油泵变频节能的原理。
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三、 高压变频调速系统的选择
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目前，6kV高压变频调速系统处于技术发展阶段，其基本原理均为通过“交一直一交”的逆变过程，通过改变电机定子的电压频率从而改变电机的转速。高压电机调速的方式从技术实现途径上又可分为“高一低一高”、“高一高”、“IGBT直接串联”等几种方式。其中“高一低一高”方案中需多一级升压变压器，设备结构庞大，系统效率相对较低，属于落后淘汰技术。“高一高“方式直接采用6kV电压输入，6kV输出无须升压变压器，系统效率相对较高，目前该形式变频调速系统应用较多。“IGBT直接串联”型变频器采用1700V高压IGBT器件，具有器件数量少，占地空间小等优点，但由于IGBT器件直接串联从技术性能等方面尚不成熟，在技术上带有一定的风险性。通过充分调研国内外各种6kV变频调速系统的应用情况和进行各种变频调速系统的技术经济性论证，最终选用北京利德华福公司生产的HARSVERT-A06/076型高压变频调速系统应用于南一油库2#输油泵机组上。该变频调速系统的主要技术参数为：
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? 逆变主回路方式：单元串联多电平
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? 额定容量：790kVA
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? 额定输出电流：76A
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? 输入频率：45 Hz －50Hz
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? 变频系统效率：>96%
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? 模拟量输入信号：0－10V/4－20mA任意设定
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四、 技术方案
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高压变频调速系统应用输油泵机组固然可产生较好的节能效益，但由于输油系统属于油库生产中的一个重要枢纽环节，长时间连续运转，除对设备本身要求有较高的可靠性之外，在技术方案上必须与现场的工艺特点相结合，充分考虑现场操作，启动、停机，以及调节等诸方面的安全性，适用性和方便性。本系统在应用中采用了以下技术措施。
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① 系统具备工频、变频手动切换功能。一旦变频系统出现种故障，可以手动切换到工频档，将变频系统甩开，在变频系统维修期间可正常保障输油泵的运行，满足油库生产的需要。
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② 系统的运转频率的调节采用开环手动调节方式。考虑到输油系统要求安全平稳运行的特点，本系统不宜采用闭环调节控制。因为受整个输油系统管网波动的影响，如采用闭环控制，很容易造成系统的自动停机，或者引起整个输油系统的扰动，给输油生产的调度指挥带来不利的影响。而采用开环人工控制，通过一定运行时间的技术摸索，在不同工况下，人为地设定和调整变频系统的参数，即可减少部分初期投资，又可保障输油系统的安全平稳运行。
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③ 现场设置、启动、停止以及紧急停机按钮，控制室内设上位机对运行参数进行实时显示，极大地方便了现场操作人员的操作和对设备运行状态的监视。
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④ 优化系统的保护参数，确保输油系统的连续平稳运行。在应用于输油系统时必须慎重选择，并对一些保护的参数按实际需要进行设置。避免由于变频系统的保护过于灵敏而造成输油泵停机，影响输油系统的安全平稳运行。
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⑤ 在变频调速系统内设置适合于现场实际的报警功能，并对运行的参数，操作情况，故障情况具有详细的记录功能。
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五、 应用效果
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