變頻泵在地面煤油加注系統中的應用

楊 寒，吳志堅

（北京航天試驗技術研究所，北京100074）

0 引言

大推力運載火箭動力系統試車是初樣研究階段最復雜、最關鍵的大型地面試驗，具有技術跨度大、工藝復雜、風險高的特點。煤油加注系統是大推力運載火箭動力系統試驗臺的重要組成部分，其主要功能是按任務書要求連續、可靠、準確地向箭上貯箱加注煤油。煤油加注順序為先小流量加注，之后大流量加注，最后小流量加注并進行定量補加。加注過程需對流量和補加量進行精確控制。煤油加注流量較大，若采用傳統氮氣擠壓的加注工藝，擠壓壓力升高，所設計的煤油貯罐的壁厚增加，造成成本大幅度上升，同時擠壓工藝很難滿足流量及補加量精確控制的效果，因此不適用于大推力運載火箭的加注需求。而采用變頻泵控制流量則具有穩定性好，調節響應快的優點，克服了擠壓加注的缺點，因此在靶場和地面試車場將得到越來越廣泛的應用。

1 泵選型分析

泵是利用外部能量輸送流體的流體機械，有葉片式和容積式2大類。葉片式中離心泵由于其具有安全可靠、流量均勻和易于調節等優點被廣泛應用于石化、電力、城市供水等行業，也能很好地適應煤油加注工藝系統的需求，因此是很好和很現實的選擇。變頻調速技術是一種應用前景廣泛的技術，原理是通過均勻改變定子供電頻率，平滑改變交流電機同步轉速，利用交流異步電機轉速與頻率成正比的特性，實現對電機轉速進行連續調節的目標，使用變頻進行流量控制，具有調速性能好、節能效果顯著、運行安全可靠等優點。變頻泵的選擇依據實際工作中最大工況下的流量和揚程等參數確定,加注過程對各種流量工況進行人工調節。泵特性曲線和管道特性曲線都可引起工況點的改變。泵特性方程如下：

另外，管網設計是否合理、阻力大小、泵與管網匹配性等也是影響泵的選型依據。泵選用離心式，該泵具有結構簡單、操作方便、流量穩定、性能參數好及便于維修等優點,加之煤油粘度小,非常適合離心泵的工況。離心泵工作時，其所提供的流量和壓頭應與管路系統所要求的一致，聯解上述兩方程即可選型出合適的泵。根據計算結果，選用ISY125－100－250B型號離心泵，有關參數如下：

Q＝104 m3/h H＝75.8 m N＝37 kW

η＝66% Hs＝3.8 m n＝2 950 r/min

2 流量調節

流量控制是煤油加注的核心內容，對于煤油加注來說，技術上可行的流量調節方案不止一個。為了找出最優方案，首先必須根據管道系統的特點，通過水力模擬，確定出各種可行的流量調節方案，然后再對它們進行評價比較，確定出最優方案。常用的流量控制方法包括節流控制、旁路調節和變頻調速調節等[1]。

2.1 節流控制

這是一種最常用的離心泵流量控制方法，在加注管路上安裝節流調節閥或限流孔板，通過改變調節閥開度或限流孔板面積從而改變管路中的局部阻力，使管路特性曲線發生變化。開大閥門或增大限流孔板面積，管路特性曲線變平坦，流量向增大方向變化；關小調節閥時，管路中局部阻力損失增加，需要泵提供更多能量頭來克服這個附加阻力損失，當泵在接近允許最小流量范圍運轉時，效率低下，動力端提供相當部分能量將轉變為熱能，泵效率急劇下降，而導致泵內流體溫度升高，葉輪燒壞，系統可靠性降低。同時若流速過大,流體處在紊流狀態，沿程損失猛增,管道壓力增大，管路振動加大。

2.2 旁路調節

在這種裝置中，煤油出泵后分2路：一路為加注管路；另一路返回煤油貯罐。調節閥安裝在旁通路上，在最小流量時打開調節閥調節，泵選型時應把旁路流量附加到操作流量上，使用過程中可能存在泵出力不夠的情況。另外當使用旁路調節時，旁路打開后如果壓力控制不好，高壓煤油可能返回煤油貯罐從而造成超壓引起事故發生。另外，使用旁路調節還存在經濟性差和由于增加一套回路而使工藝系統變得復雜，可靠性降低的缺點。

2.3 變頻調速調節

交流異步電動機有3種基本調速方法，即變極調速、變轉差率調速、變頻調速。變頻調速是其中一種最理想的調速方法，由整流器、濾波系統和逆變器3部分組成。工作時先將三相交流電經橋式整流為直流電，脈動的直流電壓經平滑濾波后在微處理器調控下，用逆變器將直流電再逆變為電壓和頻率可調的三相交流電源，輸出到需要調速的電動機上。由于電機轉速與電源頻率成正比，通過變頻器可改變電源輸出頻率從而任意調節電機轉速，實現平滑的無級調速。由于采用恒轉矩特性,變頻調速后的電動機轉矩不變,拖動力矩恒定,輸出流量穩定，運行可靠。異步電機轉速公式如式（ 2）所示[2]。

式中：n為異步電動機的轉速；f為異步電動機的頻率；s為電動機轉差率；p為電動機極對數。

當泵的轉速發生變化時，泵的流量、壓頭隨之發生變化，并引起泵的效率和功率相應改變，通過變頻器的頻率來控制輸油泵電機的轉速，從而達到改變泵的輸出流量目的：頻率增加電機轉速提高，泵輸出流量增加；頻率降低電機轉速降低，泵輸出流量減少。

圖1 泵的特性曲線Fig.1 Characteristic curves of pump

圖1中，N1為泵的揚程－流量特性曲線；C1為管路特性曲線[3]；曲線1為泵在給定轉速下滿負荷,即系統閥門全開時運行時的揚程、流量點和效率點的軌跡；曲線2為部分負荷時系統閥門部分開時的阻力特性曲線,即泵要克服磨擦,壓力隨流量的平方而變化。泵運行工況點是泵的特性曲線與管路阻力曲線的交點,當用閥門控制時,由于要減少流量,就要關小閥門,使閥門的摩擦阻力變大,阻力曲線從1移到2,揚程則從H1移到H2，流量從Q1減小到Q2,運行工況點從C1移到C2。

對于實際的分布式變頻泵調節系統管網，當管網的管線已確定時,根據不同加注時段的流量要求，就可以直接模擬出變頻泵的性能參數，之后根據變頻泵不同流量下的工作點，根據泵的相似定律,便可求出泵對應轉速下的特性曲線，同時畫出管網的阻力特性曲線。

3 變頻調節及數據采集

由于煤油加注流量覆蓋范圍較寬，為了更好地實現中低流量的加注要求，泵后設置閥門來調節管道阻力，調試過程中使用其進行流量調試。實際加注過程中，將該閥門開度控制在某一位置，對變頻器的頻率進行調節。變頻器為ABB公司的ACS510型,根據加注口令，通過變頻器內置PID自動調節輸出頻率，利用PLC200程序進行信號處理與邏輯控制。ACS510型為泵和風機類專用變頻器，可以實現PID閉環控制、循環軟啟動、電機自動輪換、頻率補償及電機互鎖等諸多功能[3]。該變頻器還具有以下特點：1）高可靠性，返修率僅為0.5%；2）多功能，如內置PID調節功能、可編程PLC功能，可方便地用于煤油加注的精確控制；3）較高的電網電壓適應范圍，可在較大的電壓范圍內使用，從而減少了由于環境電壓不穩而對變頻器造成的不利影響。

流量采集使用羅斯蒙特8800DF040擴展型數字式渦街流量計，其結構簡單，安裝維護方便。輸出為脈沖頻率，其頻率與被測量流體的實際體積流量成正比，它不受流體組分、密度、壓力及溫度的影響；量程比寬，可達10:1，甚至更高；壓損小 (約為孔板流量計1/4～1/2)，無可動部件，可靠性高；精確度較高，可適用液體、氣體和蒸汽。羅斯蒙特8800DF040擴展型數字式渦街流量計能充分滿足加注過程的具體要求，準確、客觀、實時地反映總體提出的各項流量技術指標[4]。

煤油加注過程主要分幾個階段：小流量加注、大流量加注、小流量加注及定量補加。小流量和大流量加注頻率分別為15 Hz和35 Hz。試驗過程進行全程數據采集，流量測定時使用2臺互為備份的流量計進行數據采集，結果見圖2。

圖2 某次試驗煤油加注流量數據Fig.2 Kerosene filling flow data in one test

由圖2可見，開始加注階段，流量波動較大，此時管道特性與泵輸出特性不匹配；調節泵出口為某一固定開度，變頻器頻率設置在15 Hz，流量數據開始保持穩定在450 L/min，流量數據整個大流量加注過程流量曲線平緩，流量參數穩定。小流量加注特別是補加時，可以獲得穩定的補加流量。整個加注過程無明顯壓力峰，流量計前、后壓力等參數保持穩定，說明煤油在輸送過程管道狀態良好，無氣蝕。所獲得的加注流量值基本滿足使用需求，2臺流量計讀數差別很小，數據高度吻合，標準偏差σ=0.015 L/s，相對誤差≤0.2%。這說明流量數據測量準確、真實、可靠，試驗驗證方案正確，加注過程平穩。

4 結語

使用變頻泵進行加注是最有發展前途的流量控制手段，但在火箭推進劑加注系統中應用較少。采用變頻調速泵進行煤油加注，能滿足大推力運載火箭加注系統加注流量跨度大，控制精度高，大小流量間切換靈活的具體要求，是確保煤油加注系統安全、穩定、長期運行的有效途徑。實踐證明采用變頻泵進行加注,不僅能對加注流量進行精確調節,而且對于提高整個系統的自動化水平，減輕操作人員的誤操作，提高系統的可靠性均具有顯著的效果。煤油加注系統使用變頻泵加注方式已成功完成數次動力系統試驗，各次試驗加注狀態良好，滿足總體提出的各項試驗參數要求。

[1]陳智強.離心泵最小流量旁路設計[J].石油化工設計,1998,15(3)：42-44.

[2]晃宏洲,祁順仁,周明基,等.變頻調速技術在油田中的應用[J].工業計量,2006(增刊)：79-81.

[3]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.2012,40(4)：485-488.

[4]孟彥京,李紅壘,段明亮.基于ABB ACS510變頻器的多泵控制系統設計[J].電氣傳動,2010,40(11)：66-68.

[5]劉廣新.渦街流量計在石油化工行業中的應用[J].廣州化工,2012,40(18)：115-117.