變頻調速技術在輸油管道上的應用

劉超，，敬朋武，張小俊，羅毅，劉楊，陳

（1．中國石油北京油氣調控中心，北京 100007；2．中國石油天然氣股份有限公司管道西安輸油氣分公司，陜西西安 710021）

使用輸油管道進行油品輸送時，需要根據市場需求以及實際需要選擇不同的流量，這就需要調度員對管道輸量進行人為干預和動態調整。在未設置變頻泵的管道上，通常使用壓力調節閥進行流量調節，這種以降低總壓頭的方式消耗流體能量，往往會造成能量浪費[1]，尤其對于長時間以低輸量運行的管道而言，能量的浪費尤為嚴重。

1 管道運輸能耗分析及對策

我國某成品油管道附屬注入支線全長216.3 km，管徑323.9 mm，設計壓力6.3～9.0 MPa，設計輸量為298 m3/h。全線共設置工藝站場兩座，分別為首站與末站，水力系統設置較為簡單。首站設有給油泵、輸油主泵、出站壓力調節閥各兩臺，均為一用一備。泵機組設備參數見表1。

由于管道在設計時驅動電機與離心泵的選型不合適，所選型號功率過大，導致管道在設計輸量下能量浪費現象嚴重。該注入支線每年輸送車用柴油、組分汽油兩種油品共60余批次，約160萬t，由于柴油與汽油二者黏度相差很大，輸送時全線所需能量也存在差異。全線輸送柴油時匯管壓力為6.27 MPa，出站壓力為4.80 MPa，調節閥開度為33%，調節閥壓損為1.47 MPa；而輸送汽油時全線所需能量較小，匯管壓力為5.52 MPa，出站壓力為3.43 MPa，調節閥開度為25%，調節閥壓損為2.09 MPa，管輸系統能耗數據見表2。由表2可知，無論管道輸送柴油還是汽油，能量浪費都很大。

表1 泵機組設備參數

使用泵—管道系統工作特性曲線H—Q進行討論可以直接表現這一過程。如圖1所示，管道特性曲線與離心泵特性曲線相交于B點（此交點也被稱為系統工作點），但是由于該點對應的流量值超過泵允許的最大流量或該值不是工藝需要的流量，因而需要一定的人為干預進行調整，以獲得目標流量[2]。

表2 管輸系統能耗數據

圖1 泵—管道系統工作特性曲線

因此需要用出站壓力調節閥調節，這一調節過程其實是人為改變管道特性曲線的過程。如圖1所示，當減小調節閥開度時，在調節閥的節流作用下，管道特性曲線垂直向上平移，直至管道特性曲線與泵特性曲線相交于A點[3]，即系統工作點沿著泵特性曲線左移至A點，對應的揚程H*為泵額定揚程，流量Q*為額定流量。

在泵特性曲線上，系統工作點由B點左移至了A點，但分析管道特性曲線可知，Q*輸量下僅需要H0大小的揚程，H*與H0的差值即為壓力調節閥消耗的能量。

離心泵軸功率計算公式為：

式中：Ne為離心泵軸功率，kW；ρ為管道內介質密度，kg/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2；Q為泵出體積流量，m3/s；H為泵提供揚程，m。

由式（1）可知，離心泵輸出功率與過泵液體流量以及泵的揚程有關，二者的乘積直觀的表現在H—Q圖上即為四邊形AQOH的面積。管道在輸送柴油時由于系統所需能量較大，節流損失相對較小，但仍有相當部分能量被浪費，柴油進入管道時所需要的能量只占泵輸出能量的74.5%；管道進行汽油輸送時能量浪費最為嚴重，管道系統效率僅有58.9%。

鑒于在實際工況下輸送油品能量浪費較大，該站場決定進行節能改造。經過多種技術方案比選后決定采用增設離心泵變頻調節，避免調節閥壓力損失過大，浪費能量。

電動機轉速與變頻器的輸出頻率呈線性關系。離心泵變頻控制后特性曲線也相應發生變化。如圖1中黑色虛線所示，在某特定轉速下泵特性曲線下移，并與管路特性曲線相交于C點。在此工作點管輸流量為工藝所需要的目標流量，而且由于離心泵轉速下降，泵所提供的能量恰為油品通過管路所消耗的能量，無需調節閥節流調節。

根據離心泵相似原理與比例定律：

可見泵出流量與離心泵的轉速呈正比關系，而泵揚程與轉速的二次方呈正比，所需的軸功率與轉速的立方呈正比關系[6]。例如當管道需要流量為額定流量的70%時，可直接通過調節電機的轉速至額定轉速的70%，此時泵提供的揚程僅為原來的49%，而所需功率僅為原來的34.4%。在低轉速下，單位時間內泵送流體體積數降低，揚程與功率值均大幅降低。使用變頻器進行調節后，壓力調節閥開度設定為100%。

2 變頻節能改造及效果

2.1 站場改造投資及主要工程量

項目總投資約233萬元，其中變頻器購置費用118萬元。工程量主要為以下四部分：

1）變頻器

變頻器安裝于新建變頻器室，現有接地系統做局部調整。

2）變頻器進線斷路器柜

新增2臺真空斷路器柜作為變頻器的進線斷路器柜，進線柜的正常分合閘控制采用遠程控制和就地控制模式，就地控制模式下在柜體上采用按鈕操作（主要用于測試），遠程控制模式由變頻PLC系統進行操作控制，兩臺進線柜之間設計電氣互鎖功能，防止同時合閘情況出現。

3）旁路斷路器柜

利用原有2臺電機柜作為工頻運行柜，對應關系不變。在變頻同步切換時，閉合旁路將電機切入工頻運行，特殊情況下可用于直接啟動。旁路操作同步切換由變頻PLC系統進行控制。同步切換時，投切指令由站控SCADA系統發送給PLC系統，再由該PLC系統判斷后發出投切信號。在投切完成后，旁路斷路器的控制將由SCADA系統完成，在調試或變頻器就地控制狀態下，可通過PLC控制柜的按鈕手動操作。

4）變頻輸出接觸器柜

變頻器輸出柜采用真空接觸器柜，安裝于新建變頻器室內。該柜用于變頻工作模式，在不同電機運行時，對應的輸出柜閉合。此外，還采用了電氣互鎖，防止2臺輸出柜同時合閘。

同步切換控制系統由新增PLC柜組成，該系統可與SCADA系統連接，完成對變頻器、進線DI、輸出OP、旁路BP柜的控制。

2.2 項目實施后節能效果

改造后，在原輸油能力不變的情況下，輸油能耗顯著下降，節能降耗效果明顯，詳見表3。

表3 項目實施前后能耗數據對照

3 結論

通過應用變頻調速技術對站場動力系統進行改造，驅動電機轉速改變后，泵特性曲線也隨之改變，替代了使用出站壓力調節閥進行調節而造成的能量浪費。改造后，電動機輸出功率與管輸流量有效匹配，降低了能耗，系統效率顯著提高[7-8]。實踐證明，離心式輸油泵負載通過調速控制可節能20%～50%[9]，特別是當管道處于低輸量運行的工況下時，應用此項技術可產生更加明顯的經濟效益。