串聯離心泵節流與變頻控制方案比較分析

葉松濤 謝杰輝 魏秀靜 羅雄麟

(中國石油大學信息學院自動化系，北京 102249)

目前，過程控制領域中流體輸送系統的流量調節方法主要分為調節閥節流控制和離心泵的變頻調速控制[1～3]。其中，離心泵變頻調速技術已成為石油化工裝置節能降耗的重要手段，相對于調節閥節流控制，可明顯減少能量的損失[4～8]。串聯泵的變頻控制又可分為單泵變頻控制和多泵同步變頻控制，變頻控制方案雖然節省能量，但當流量降低時，可能出現壓頭過低而影響后續流程的問題[9，10]；節流控制雖然操作簡單方便，安全性能和調控性能好，但能量損耗嚴重。對此，筆者提出了變頻調速與節流分程控制方案[11]，該方案結合大多數工藝管路系統中變頻調速與調節閥節流控制并存的現狀，可同時滿足管路控制點所需的壓力和流量，并且節能效果顯著。

離心泵作為石油化工企業廣泛采用的一種管輸流體機械，通常在流體長距離輸送或大流量高壓供輸或者由于工程改造和擴大生產等，單泵獨立運行無法滿足需求的情況下，采取加裝設備與原有設備串聯的方式運行，用來提升壓力、增加流體能量、克服流動阻力，以達到沿管路輸送的目的[12～14]。離心泵的多泵串聯運行與單泵獨立運行相比較，其運行工況和調控手段更加復雜，此時不僅需要考慮離心泵的揚程和流量的要求，還得保證各泵運行的安全性和經濟性。

筆者以某煉油廠串聯離心泵運行為例，利用Simulink/SimHydraulics搭建實物模型，對4種典型的串聯泵控制方案進行控制仿真，依據實驗模擬的效果對控制方案的綜合性能進行比較分析，指出各控制方案的利弊與適宜場合。

1 控制方案設計①

離心泵的串聯運行需要有安全、可靠的控制方案，以保證生產裝置安全、平穩、高效的運行，實現最大化節能。調節閥節流控制與離心泵的變頻調速技術是當今工藝管路系統的主要調控手段，筆者通過對4種典型的串聯泵控制回路的分析，探討離心泵串聯運行控制方案的設計問題。

1.1 節流控制方案

串聯泵節流控制方案如圖1所示，在增壓泵出口管路上設調節閥進行節流控制，該回路的主控制變量可以是流量、液位、壓力及溫度等參數。該控制方案是通過調節閥門開度以改變管路特性曲線達到改變流量、滿足工況需求的目的，其原理簡單、實施容易，但此過程中大部分能量都被消耗在閥門的節流環節和冗余設計而導致的泵出口閥壓降上，能耗損失嚴重，不利于節能，同時由于出口閥門前后壓差較大，泵承受的壓力較大，對閥門、泵的機械損耗增加，維修量也較大。

圖1 節流控制方案

1.2 單泵變頻調節控制方案

串聯泵單泵變頻控制方案如圖2所示，流量調節器FC的輸出信號送給變頻調速器，調節增壓泵的轉速，主泵電機為工頻運行。選擇這種方式而非主泵變頻，串聯的增壓泵為工頻運行的單泵變頻方案，可以保證增壓泵的入口壓力較為平穩，有效防止串聯的增壓泵發生吸空汽蝕現象。同時，調節閥由手動操作至全開狀態，可以降低閥門和泵的承壓，提高設備使用壽命，減小維修量，同時大幅降低能量損耗，具有顯著的節能效果。

圖2 單泵變頻控制方案

1.3 雙泵變頻調節控制方案

串聯泵雙泵變頻控制方案如圖3所示，流量調節器FC的輸出信號送給變頻調速器，通過多泵同步控制技術來同時調節主泵和增壓泵的轉速，調節閥由手動操作至全開狀態。兩種變頻調節方案雖然具有較高的節能性能，但流量較低時會導致后續管路中壓力過低，無法滿足流量和壓力的雙重要求，造成安全隱患，同時在流量設定值變化時動態響應時間較節流調節要慢。

圖3 雙泵變頻控制方案

1.4 變頻調速與節流分程控制方案

為解決變頻控制在低流量時通過降低泵揚程無法滿足工藝操作和輸送需要的問題，需采用變頻調速與節流分程控制方案。如圖4所示，流量調節器FC與手操作器HC、DCS軟開關FS配合，實現變頻調速與調節閥控制的切換。Qm為劃分區間的流量，當流量Q>Qm時，FC的輸出信號送給變頻調速器，調節泵的轉速，調節閥由HC控制至全開狀態；當Q≤Qm時，FC的輸出信號送給調節閥，變頻調速器由HC控制，泵的轉速不變。

圖4 雙泵變頻與節流分程控制方案

2 具體應用分析

催化裂化是煉油化工過程的重要組成部分，在其工藝流程的反應再生部分中，原料油與回煉油混合均勻后通過回煉油泵提供壓力，經原料油噴嘴噴入提升管內。現有一煉油廠160t/a催化裂化反應裝置因擴大生產所需，需使噴嘴部分的壓力從2.0MPa增加至2.8MPa，原回煉油主泵出口壓力達不到要求，故在主泵后串聯上一個增壓泵使出口壓力升高進而使流量達到要求，并保持原有的輸送流量，以保證后續的工藝需求。投運前，以該廠的離心泵串聯運行為例，通過Simulink/SimHydraulic工具中的實物模型搭建系統進行模擬仿真。傳統的仿真手段主要是利用解析法求出系統的傳遞函數或狀態方程等模型再進行仿真，但由于系統中元件的非線性、時變性，必須對非線性環節做很多的假設和簡化，得到準確的數學模型十分困難。相比之下，使用SimHydraulic實物模型搭建系統進行仿真計算和分析，其結果更加準確和貼近實際的物理系統[15]。

典型的工藝控制流程如圖5所示，將回煉油的流量作為流量PID控制器的設定值，操作變量為離心泵的轉速與閥門開度。回煉油主泵與增壓泵型號都為150AY15×2A的離心泵，單個泵的額定流量為Q0=168m3/h，揚程為H0=160m，轉速為n0=2950r/min，管道內徑D=0.3m。設初始工況主泵與增壓泵全速運行，調節閥處于全開狀態，回煉油流量Q1=212m3/h=0.059m3/s。當要求流量降低至Q2=0.056m3/s時，分別采用節流控制和兩種變頻調速控制方案，得到不同控制方案的流量動態曲線如圖6a所示；當要求流量降低至0.056m3/s甚至更小，同時管路末端的提升管部分壓力保持在2.8MPa以上時，分別采用節流控制、兩種變頻控制方案，得到不同工況點的控制方案曲線(圖6b～d)。由圖6可以看出，當回煉油流量調控目標小于Q3=0.020m3/s，若采用變頻控制方案由于泵的轉速過低而提供給流體的能量不足，達不到管路流量和壓力的要求，無法實現調控目標，即變頻控制方案的安全性在低流量時無法保障，因此需要采用變頻調速與節流分程控制。設定劃分區間的流量Qm=0.030m3/s，當Q>Qm時通過變頻調速來調控流量，調節閥置為手動，且處于全開狀態；當Q≤Qm時，流量控制器輸出信號送往調節閥，用來調節閥門的開度，泵保持最低轉速不變。

圖5 典型工藝控制流程

圖6 控制方案的對比

綜合比較，串聯離心泵控制方案的對比結果見表1。從調控性能來看，節流控制方案的響應時間最短，雙泵變頻調控方案次之，單泵變頻調控方案的響應時間最長，證明節流調控的調控性能最好，控制及時又有效。兩種變頻控制方案中雙泵變頻控制具有更佳的調控性能。從節能性能來看，單泵與雙泵變頻調節的軸功率曲線重疊，說明兩種變頻控制方案的能耗量相當，節能性能相同。除了當主泵與增壓泵全速運行，調節閥處于全開狀態，回煉油流量為最大值時，節流與變頻控制所消耗的功率相同，其余工況點，變頻控制和分程控制均比節流控制方案更加節能。分程控制方案在高流量區間與變頻控制能耗相同，在低流量區間雖然比變頻控制能耗增加，但安全有效地實現了所有控制目標，即從安全性能來看，低流量時采用變頻控制方案會因為管路末端壓力不足而無法實現調控，其安全性存在限制，而節流控制和分程控制兩種方案均能隨工況點的變化而保證系統的安全運行。

表1 控制方案性能的綜合比較

由模擬結果和比較分析可知：

a. 單泵變頻與雙泵變頻的節能效果相同，流量的安全調控范圍相同，但雙泵變頻控制方案的動態響應時間更短，即擁有更佳的調控性能，因而當采用變頻調速方案時建議雙泵變頻控制方案。

b. 變頻調控方案的節能效果明顯，但石油化工過程保證安全穩定生產至關重要，變頻控制方案的安全性能和調控性能比節流控制方案差，尤其是在工況點為低流量時采用變頻控制方案無法滿足壓力要求，不利于后續工藝的安全生產與流程控制，因此在確定最終的控制方案時需要綜合評價。

c. 節流調控方案雖然閥門節流消耗大量能量，有效能量利用率低，但具有較優的調控性能和安全性能，能夠滿足各工況點所需流量和壓力的要求，同時結合裝置開、停工或安全聯鎖的工況要求，建議保留調節閥的控制方案，并考慮多種工況下的控制方案和切換操作。

d. 當采用適當的區間劃分，變頻調速與節流分程控制方案能夠既滿足管路流量要求，又保證控制點所需壓力，在保證安全性能和調控性能的同時節省降耗效果顯著。該方案構思簡單，實際中易于實現，具有普遍適用性，在工程實踐中值得推廣。

3 結束語

筆者以離心泵串聯運行的控制方案設計問題為例，對4種典型的串聯泵控制方案的調控性能、安全性能和節能性能進行了綜合比較。通過實驗模擬和分析，最終確認串聯離心泵運行的最佳控制方案是變頻調速與節流分程控制方案，該方案克服了變頻調速壓頭可能不足和節流調控能耗嚴重的缺點，能夠滿足管路流量和壓力的雙重要求，對于現場工程的實施具有較高的實用價值。

[1] 蔣慰孫，俞金壽.過程控制工程[M].北京：中國石化出版社，2004：240～242.

[2] 劉秀琴，張少鵬，張道光.離心泵變頻調速與調節閥組合控制設計方案探討[J].石油化工自動化，2013，49(1)：11～14.

[3] 葉松濤，羅雄麟.分支管路流量調節的協調控制設計[J].化工自動化及儀表，2014，41(4)：352～357.

[4] Irvine G，Gibson I H.VF Drives as Final Control Elements in the Petroleum Industry[J].Industry Application Magazine，2002，8(4)：51～60.

[5] Yu F W，Chan K T.Part Load Performance of Air-Cooled Centrifugal Chillers with Variable Speed Condenser Fan Control[J].Building and Environment，2007，42(11)：3816～3829.

[6] Edson D C B，Roberto A D A，Augusto N C V.Optimization of Parallel Variable-speed-driven Centrifugal Pumps Operation[J].Energy Efficiency，2008，1(3)：167～173.

[7] Fernando J T E F，Jo?o A C F，Anibal T D A.Ecoanalysis of Variable-Speed Drives for Flow Regulation in Pumping Systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58(6)：2117～2125.

[8] Ciontu M，Popescu D，Motocu M.Analysis of Energy Efficiency by Replacing the Throttle Valve with Variable Speed Drive Condensate Pump from E.C. Turceni[C]. 3rd International Symposium on Electrical and Electronics Engineering (ISEEE).Galati:IEEE,2010：293～297.

[9] 聶建英，于洋，羅雄麟.離心泵變頻控制對流量控制性能的影響分析[J].化工自動化及儀表，2013，40(4)：485～489.

[10] 羅雄麟，葉松濤，許鋒.離心泵變頻控制對分支管路流量控制性能的影響分析[J].化工自動化及儀表，2014，41(7)：749～753.

[11] 羅雄麟，張惜嶺.離心泵的變頻調速與節流協調分程節能控制[J].控制工程，2009，16(1)：8～11.

[12] 馬馳.串聯泵輸油工藝在華錦集團輸油管道上的應用[J].當代化工，2012，41(9)：905～907.

[13] 王鐵成，李忠偉.慶鐵輸油管道泵站工藝流程改造[J].油氣儲運，2001，20(10)：16～18.

[14] 徐健，許功鐸，郭開華.冰蓄冷系統設計中的節能分析[J].北京工業大學學報，2002，28(3)：313～316.

[15] 鄭洪波，孫友松.基于Simulink/SimHydraulics的液壓系統仿真[J].鍛壓裝備與制造技術，2010，45(6)：31～34.