10 kV變頻器在輸油站離心泵電機控制的應用

王 建， 廖興萬， 余建平， 葉 茂

(國家管網集團華南公司，廣東 廣州 510000)

0 引 言

工業是能源消耗的主要行業，2018年工業能耗占全國總能耗的67%[1]。根據2014年統計數據，工業領域中電機用電量約占工業用電總量的75%[2]。高壓大功率設備更為突出，而這些設備大部分有節能的潛力，其中一個重要措施是進行變頻改造。目前，變頻器在電機控制上得到了廣泛應用[3-5]，變頻電機的節能效果在某些場合也得到了驗證[6-9]。

國家管網集團華南公司為所轄地區的輸油站進行了節能減排改造，其中一個重要措施就是對所屬輸油站的離心泵驅動電機進行了變頻改造。本文研究的輸油站離心泵電機額定電壓10 kV，額定功率2 MW，工況隨著所輸油品和流量變化，較復雜。為了解變頻器的應用效果，本文對某輸油站的變頻離心泵一年的運行數據進行跟蹤分析，通過分析，得到了變頻離心泵實際節能效果定量的結果，還發現了變頻離心泵在泵出口壓力調節能力和泵電機功率因數提升的實際效果，有助于輸油站進行智慧用能改造和更可靠穩定的工況調節。

1 控制效果理論分析

變頻離心泵的工作特性可描述[10]為

(1)

式中：H為離心泵揚程；a、b為對應與轉速n0時，泵特性方程中的2個常系數；n為變頻后的轉速；n0為工頻轉速；m為管道流量-壓降公式中的指數，在離心泵內，m=0；Q為離心泵流量。

離心泵電機為異步電機，其轉速與頻率的關系為

(2)

式中：s為轉差率；p為極對數。

離心泵軸的功率為

P=QHgρ/(3 600η)

(3)

式中：g=9.8 m/s2；ρ為所輸油品的密度；η為泵的效率。

理論分析表明，變頻(降頻)后的離心泵電機可以節能、增大離心泵出口壓力調節范圍,提高電機功率因數。

1.1 節 能

由式(3)和式(1)可知：

(4)

式中：P、Q、H為與其串聯的變頻泵參數；P0、Q0、H0為工頻泵參數。

2臺泵串聯運行，其流量Q相同。理想狀態下，假設揚程損失為零，即b=0。因此，式(4)可簡化為

(5)

即變頻泵與工頻泵串聯運行時，變頻泵的功率與頻率(轉速)的平方成正比。降頻運行的泵，其功率消耗降低，具有顯著的節能效果。

1.2 增大離心泵出口壓力調節范圍

流體能量的伯努利方程如式(6)所示：

(6)

對于離心泵，可將式(6)改寫為

(7)

理想狀態下，離心泵進出口揚程損失為零，修正系數相等。即泵的進出口壓力差為

(8)

由式(8)可知，對于工頻的離心泵，進出口流體的壓力差為定值，而變頻離心泵的進出口壓力差可通過頻率(轉速)調節。

1.3 提高電機功率因數

異步電機的主電抗如下[11]：

Xm=ωL=2πfL

(9)

式中:L為異步電機主電感。

離心泵功率因數的近似計算式為

(10)

電機定子電流與視在功率近似呈正比，即與泵揚程近似呈正比，與泵轉速的平方呈正比。可將式(10)改寫為

(11)

額定工況下，電機的功率因數約為0.90，由此計算可得變頻泵在不同頻率下的功率因數如表1所示。

表1 變頻泵的功率因數估算值

由表1可知，離心泵通過降頻調速的工作方式可以提高泵功率因數。

2 輸油站配置介紹

2.1 離心泵配置及參數

圖1為某輸油站泵區。

圖1 某輸油站泵區

該輸油站共4臺主輸泵，額定電壓均為10 kV。1號泵為小泵，額定功率為1 050 kW，額定揚程為280 m。2～4號泵完全一樣，額定電流138 A，額定流量1 150 m3/h，額定揚程為560 m，電機額定功率為2 050 kW，額定功率因數為0.89。輸油站離心泵電機的額定轉速為2 980 r/min。經過變頻改造后，2號和4號泵可切換為變頻運行。變頻器投用約一年時間，2號泵主要在變頻情況下運行。1號和3號泵主要在工頻條件下運行。4號泵返廠檢修未回，運行數據不作為參考。

2.2 變頻器配置

輸油站變頻器為單元串聯型變頻器，其原理拓撲圖如圖2所示。

圖2 單元串聯型變頻器拓撲圖

整套變頻器共有3n個功率單元，每相由n臺功率單元相串聯，并組成Y形連接，直接驅動電機。每臺功率單元電路、結構完全相同，可以互換，也可以互為備用。

功率單元拓撲圖如3所示。

圖3 功率單元拓撲圖

該類型變頻器的特點如下：(1)采用多重化脈寬調劑(PWM)控制，輸出電壓波形接近正弦波。(2)整流電路的多重化，脈沖數多，功率因數高，輸入諧波小。(3)模塊化設計，結構緊湊，維護方便，功率單元可互換。(4)直接高壓輸出，無需輸出變壓器。(5)極低的dv/dt輸出，無需任何形式的濾波器。

該變頻器可實現0～60 Hz范圍內調節。變頻器輸出主界面如圖4所示。

圖4 變頻器輸出主界面

2.3 數據獲取

輸油站設備的運行數據由工作站SCADA系統監測，監測各離心泵的實時電壓(kV)、電流(A)、累計運行時間(h)、實時有功功率(kW)、累計用電量(kWh)等。2號和3號主輸泵運行數據如表2所示。

表2 2號和3號主輸泵運行數據

離心泵電機工作時的功率因數在供電SCADA系統實時顯示。

3 運行數據分析

3.1 節能效果

輸油站停輸時，根據電氣SCADA的功率顯示，站場除主輸泵(離心泵)外的其他設備總功率一般不超過15 kW，不到2臺主輸泵功率的1%。因此，主輸泵的節能效果可以代表站場用電的節能效果。

選取該站2020年10月15—19日運行數據，以驗證串聯運行的變頻泵(2號泵)與工頻泵(3號泵)功率與頻率之間的關系。運行數據統計如表3所示。運輸油品均為柴油，頻率比為變頻泵頻率與工頻的比值。表3中數據為1 min內實際監測值的平均值。

表3 泵運行數據統計

以工頻泵功率為基準，利用式(5)和頻率比計算得到變頻的理論功率，及理論功率與實際功率的偏差，結果如表4所示。

表4 變頻泵(2號)理論功率與實際功率的比較

由表4數據可知，理論功率和實際功率的偏差<5.364%。實際運行經驗表明，變頻泵的端電壓與工頻泵的端電壓不相同，頻率也會小幅度(±0.2 Hz)的波動，從而對泵電機功率產生影響。綜合以上，由式(5)所計算的理論功率滿足工程需求，驗證了式(5)的正確性。

站場近一年的運行中，一般是2號和3號泵同期運行。提取表2中2號和3號泵的運行數據，統計結果如表5所示。

表5 2號和3號主輸泵運行數據

如果2號泵仍采用工頻運行，則其理論上的累計用電量應為

(12)

則2號泵理論上的節電量為2.346×106kWh，節電率為35.52%。

3.2 離心泵出口壓力調節能力

該輸油站進站壓力不得小于1.00 MPa，出站壓力不得高于11.00 MPa。

2020年10月15日該站輸0#車柴，流量為994 m3/h。進站管線壓力為1.42 MPa，出站管線壓力為10.21 MPa。現場運行2號和3號主輸泵，2號泵進口壓力即進站壓力；2號泵出口壓力為5.16 MPa，即3號泵進口壓力；3號泵出口壓力即出站壓力。2號泵變頻運行，設定頻率為43.50 Hz，3號泵工頻運行。

令進站壓力(2號泵進口壓力)為P1，2號泵出口壓力(3號泵進口壓力)為P2，3號出口壓力(出站壓力)為P3。由式(8)可知：

(13)

求得該站2～4號主輸泵γa≈5.00 MPa。2～4號泵的額定揚程為560 m。該站1號泵額定揚程為280 m，1號泵(γa)′≈2.50 MPa。

未進行變頻改造時，選擇2臺泵運行時，出站壓力相對于進站壓力的增加值為7.50 MPa或10.00 MPa。選擇2臺大泵(2、3、4中任意2臺)運行時，出站壓力相對于進站壓力的增加量為10.00 MPa。出站壓力超過允許值0～2.50 MPa，依賴輸油站泵出口匯管后的出站壓力調節閥節流，才可使出站壓力滿足運行計劃。

通過現場工況調研，進行變頻改造后，變頻泵電機工作頻率一般為35～48 Hz。由式(8)計算2號變頻泵的進出口壓力增加值為2.45～4.61 MPa。

變頻改造前后泵進出口匯管壓力調節能力的如表6所示。

表6 泵進出口匯管壓力調節能力表

由表6可知，變頻改造后，大大增加了出站壓力的調節范圍，減少了出站壓力調節閥的調節壓差，保護了管道和壓力調節閥。

同時變頻泵(2號)起動性能良好，起動初始頻率為5 Hz，緩慢上升到設定的工作頻率。起動時泵出口壓力平穩，極大減小了抽空、憋壓風險。電機電流比工頻起動瞬時幅值小，快速穩定。

3.3 變頻泵功率因數改善效果

由運行歷史數據的分析，該站變頻泵(2號泵)電機工作頻率一般為35～48 Hz。對其功率因數的統計如表7所示。

表7 變頻泵的功率因數統計值

工頻泵(3號泵)電機的功率因數一般為0.90～0.91。由表7可知，與工頻泵電機相比，變頻泵電機的功率因數較高，改善了供電質量。符合第1.3節的理論分析。

4 結 語

通過對10 kV變頻器在某輸油站應用的研究，得出如下結論：

(1)變頻器對輸油站的經濟效益巨大。裝設了變頻控制的主輸泵，在滿足工況需求的情況下，單機的節電率為35.52%。額定容量約2 MW的電機，每年的節電量可達2.346×106kWh。

(2)變頻器對輸油站保護電機和管道具有積極作用。裝設了變頻控制的主輸泵，電機起動時電流較小且更平穩；降頻運行時，進出管線內流體壓力更平穩，調節壓力時可緩升緩降。

(3)變頻器對輸油站用電質量有良好的改善。裝設了變頻控制的主輸泵，其功率因數高于工頻的主輸泵。

因此，對于以電機負荷為主的行業來說，進行電機的變頻改造具有良好成效。該輸油站主輸泵變頻控制應用效果的成功經驗可以推廣到其他輸油站或相關行業。