不同排量下輕烴泵優化運行方案研究

陳萬勇

大慶油田有限責任公司天然氣分公司

被試儲庫承擔多處產能裝置所產輕烴的儲存、輸送、計量任務，共有1 500 m3球形混合輕烴儲罐6 座，1 000 m3深冷輕烴儲罐2 座，日均外輸輕烴1 700 t（表1），年儲運能力可達50×104t以上，是大慶市一級消防重點單位。該儲庫現有混合外輸輕烴泵6臺，其中額定流量60 m3/h變頻雙端面機械密封離心泵3 臺，額定流量30 m3/h 工頻臥式屏蔽泵3 臺。另有深冷外輸輕烴泵2 臺，均為額定流量30 m3/h工頻立式屏蔽泵。

表1 2020年外輸輕烴情況Tab.1 External transportation of light hydrocarbon in 2020

儲庫外輸至計量交付點管道為兩條Φ219 mm×7 mm，長度16.3 km，設計壓力4.0 MPa的混烴管道以及一條Φ159 mm×8 mm，長度16.3 km，設計壓力6.4 MPa 的深冷烴管道。其中混烴管道為一運一備的運行模式。為防止輕烴汽化造成損失，計量交付點的混烴輸送壓力不低于1.5 MPa，深冷烴輸送壓力不低于1.8MPa。

1 原運行方案

1.1 運行方案依據

參照GB/T 3215—2019 《石油、石化和天然氣工業用離心泵》中的標準，在額定葉輪直徑下，為保證運行時有較高的效率和較低的振動值[1]，泵的工作點應落在有效工作范圍（最佳效率點流量的70%～120%）內，泵設計工作點應在最佳效率點工作，即離心泵設計點指泵效最高所對應的工況點。如果工作點剛好是設計點，則是最理想的實際工況。

1.2 混烴輕烴泵外輸方案

在管網壓力恒定情況下，以20 ℃混烴密度680 kg/m3計算，混烴1#～3#泵設計額定流量為60 m3/h（表2），按最佳工況最大外輸量設置為40.8 t/h，此時出口壓力約為1.6 MPa；混烴4#～6#泵設計額定流量為30 m3/h，按最佳工況[2]最大外輸量設置為20.4 t/h，此時出口壓力約為2.5 MPa。

表2 混合烴外輸泵優化前運行方案Tab.2 Mixed hydrocarbon external pump operation scheme before optimization

根據優化前最近3個月外輸數據進行分析，日外輸量平均值約55 t/h，因此外輸方案為：在外輸量小于40 t/h 時，啟動1#～3#泵中的1 臺；在外輸量大于40 t/h 時，啟動1#～3#泵中的1 臺，啟動4#～6#泵中的1 臺，同時運行2 臺泵。但考慮實際條件以及操作習慣等因素，1#～3#泵為主要長時間運轉外輸泵，當需要啟動4#～6#泵時，常常忽視1#～3#泵的變頻功能，多通過手動控制4#～6#泵出口閥調節總外輸量。

1.3 深冷輕烴泵外輸方案

在管網壓力恒定情況下，以20 ℃深冷烴密度0.55 kg/m3計算，深冷A#、B#泵設計額定流量為30 m3/h（表3），按最佳工況最大外輸量設置為16.5 t/h，此時出口壓力約為3.4 MPa。根據優化前最近3個月外輸數據進行分析，日外輸量平均值為20 t/h，因此外輸方案為：在外輸量小于16 t/h 時，啟動A#、B#泵中的1 臺；在外輸量大于16 t/h 時，同時啟動A#、B#泵。

表3 深冷烴外輸泵優化前運行方案Tab.3 Cryogenic hydrocarbon external pump operation scheme before optimization

2 優化運行方案

2.1 方案依據

（1）分析機泵性能曲線值[3]，聯系廠家至現場確定優化值。首先咨詢機泵廠家，機泵是否可以在最佳工況范圍內增加泵外輸量，以及外輸臨界值如何進一步設定，并且減少機泵磨損值[4]，廠家技術人員到現場探討如何優化運行參數設定。因深冷A#、B#泵為2002年產德國進口泵，原有曲線圖已無法找到，根據現場泵的工況參數重新提供了性能曲線圖（圖1）。

由圖1可知，在外輸量為30 m3/h的工況下，泵效率為47%，泵氣蝕[5]余量為1.3 m，功率為43.8 kW，此時為最佳工況，但就實際情況考慮，外輸量較低，泵效偏低[6]。在選取泵效較高工況點時，外輸量有所提升，為滿足生產需求的外輸量最大值24 t/h，可選取工況為：外輸量45 m3/h，即24.75 t/h。此時，泵效為54%，功率為50 kW。

圖1 輕烴泵性能曲線Fig.1 Light hydrocarbon pump performance curve

（2）根據優化值進行實地實驗，測量各項參數。根據第一部分選取值的方法對機泵進行測試，當設定A#泵外輸量為24 t/h時，即額定流量的145%時，電流為65 A，泵出口壓力為3.1 MPa，溫度15 ℃，泵振動值[7]為0.08 cm/s，測量值處于正常范圍內。根據以上兩方面優化依據分別對其他6臺泵進行測試，得出優化運行方案。

2.2 混烴輕烴泵外輸優化方案

在管網壓力恒定情況下，以20 ℃混烴密度680 kg/m3計算，混烴1#～3#泵設定最大外輸量為75 m3/h，額定流量的125%，即外輸量為51 t/h（表4），此時出口壓力約為1.65 MPa；混烴4#～6#泵設定最大外輸量為37 m3/h，額定流量的123%，即外輸量為25 t/h，此時出口壓力約為2.1 MPa。

表4 混合烴外輸泵優化后運行方案Tab.4 Mixed hydrocarbon external pump operation scheme after optimization

根據優化前最近3 個月數據[8]進行分析，日外輸量平均值為55 t/h，因此外輸方案為：在外輸量小于50 t/h 時，啟動1#～3#泵中的1 臺；在外輸量大于等于50 t/h 時，啟動1#～3#泵中的1 臺，啟動4#～6#泵中的1臺，同時運行2臺泵，以4#～6#泵作為長時間運轉主要外輸泵，并控制在最大外輸量上，通過1#～3#泵變頻自動調節外輸量。

2.3 深冷輕烴泵外輸優化方案

在管網壓力恒定情況下，以20 ℃深冷烴密度0.55 kg/m3計算，A#、B#泵設定最大外輸量為45 m3/h，額定流量的150%，即外輸量為24 t/h（表5），此時出口壓力約為3.1 MPa。根據優化前最近3個月外輸數據進行分析，日外輸量平均值為20 t/h，因此優化后外輸方案啟動1臺泵即可。

表5 深冷輕烴泵優化后運行方案Tab.5 Cryogenic hydrocarbon external pump operation scheme after optimization

3 優化后運行數據

根據優化運行方案，選取機泵運行狀態較好的混烴1#泵、4#泵、深冷B#泵進行測試。每日分別進行定點數據采集，采集數據包括：機泵電流、出口壓力、流量，振動值參數，判斷運行狀態是否異常。共檢測9天數據進行記錄，情況如下：

（1）混烴外輸1#泵數據。共運行216 h，電流在90～110 A 之間，出口壓力在1.5～1.8 MPa 之間，最大外輸量控制在50 t/h，為額定流量的122%，運行正常。

（2）混烴外輸4#泵數據。共運行94 h，電流在70～75 A之間，出口壓力在2.0～2.3 MPa之間，最大外輸量控制在25 t/h，為額定流量的122%。在運行至93 h，監測發現振動值逐漸上升，由0.64 cm/s逐漸升至0.98 cm/s，振動值偏大，壓力表顯示2.0 MPa，電流70 A。

發現問題后立即控制泵的流量，將出口壓力調至2.5 MPa，泵的振動值降低至0.91 cm/s（標準為0.65 cm/s），且水套[9]再次出現漏水現象。停泵1 h后，再次啟泵試運檢查，泵監測表顯示有誤差，用隨機振動儀監測調整泵的基礎，同時降低泵的運行負荷，使泵的振動值降低至0.63 cm/s。調整過程中發現負荷增加時泵的振動偏大，當泵的運行壓力控制在2.8～3.1 MPa 時，泵的振動值才能低于標準振動值。考慮生產安全因素，暫停該泵試運。

（3）深冷外輸B#泵數據。共運行192 h，電流在50～55 A之間，出口壓力在2.8～3.0 MPa之間，最大外輸量為22 t/h（試運行期間外輸需求最大值為22 t/h），為額定流量的133%，運行正常。

4 節能效果分析

4.1 耗電量對比分析

（1）混合輕烴泵運行情況。當外輸量小于40 t/h時，優化前后均啟動1臺泵，即啟動混烴1#～3#泵中的任意1臺，無節能；當外輸量為40～50 t/h時，優化前啟動兩臺泵，1#～3#泵按最佳工況最大外輸量設置為40 t/h，4#～6#泵通過調節出口閥門達到調節外輸量。優化后，只啟動1#～3#泵中的1臺。

以某月份儲庫外輸量作為計算依據，該月輕烴泵外輸量在40～50 t/h 區間的時段共計運行294 h，優化前耗電量23 192 kWh（表6），優化后耗電量19 327 kWh（表7）。通過計算得出，混烴外輸泵優化后的耗電量是優化前的83.3%，耗電量降低16.7%。當外輸量大于50 t/h 時，優化前混烴1#～3#泵在最佳工況下最大外輸量設置為40 t/h，混烴4#～6#泵通過調節出口閥門調節外輸量。優化后，4#～6#泵按最佳工況最大外輸量設置為25 t/h，1#～3#泵通過變頻[10]調節外輸量。

表6 混烴外輸泵優化前耗電量Tab.6 Electricity consumption before optimization of mixed hydrocarbon external pump

表7 混烴外輸泵優化后耗電量Tab.7 Electricity consumption after optimization of mixed hydrocarbon external pump

以某月份儲庫外輸量作為計算依據，該月輕烴泵外輸量在大于50 t/h的時段共計運行386 h，優化前后耗電量均為31 465 kWh，無變化。如果外輸量大于55 t/h，1#輕烴泵電流增加，消耗電量增加，優化后耗電量大于優化前電量，所以優化前更節能。

（2）深冷輕烴泵運行情況。當深冷泵外輸量小于16 t/h 時無節能。以某月份儲庫外輸量作為計算依據，該月輕烴泵外輸量在16～24 t/h區間的時段共計運行468 h；優化前當外輸量小于16 t/h時只啟動1 臺泵，大于16 t/h 時啟動兩臺泵，優化前耗電量25 844 kWh（表8），優化后當外輸量小于24 t/h時啟動1臺泵，大于24 t/h時啟動兩臺泵，優化后耗電量15 998 kWh（表9）。通過計算得出，深冷外輸泵優化后的耗電量是優化前的62%，耗電量降低38%。

表8 深冷外輸泵優化前耗電量Tab.8 Electricity consumption before optimization of cryogenic hydrocarbon external pump

表9 深冷外輸泵優化后耗電量Tab.9 Electricity consumption after optimization of cryogenic hydrocarbon external pump

4.2 設備運行狀態對比

通過試運行期間數據參數可知，混烴額定流量60 m3變頻雙端面機械密封離心泵，以及深冷額定流量30 m3工頻立式屏蔽泵運行較為正常，未出現參數超過標準值的情況，現場運行狀態良好，運轉聲音正常。

5 結論

按照國內目前輕烴儲庫的運行狀況，根據上游產量情況，制定外銷輕烴計劃。為了能夠完成銷售計劃，外輸輕烴量為固定值。通過安裝變頻器，控制振動值在標準振動值0.65 cm/s以下，以外輸輕烴量為目標值，優化匹配不同泵運行方案，減少了輕烴泵啟停次數，節約外輸耗電量16.7%，可有效降低輕烴儲庫生產運行成本，建議同類儲庫推廣應用。