李欣澤

（中石化石油工程設(shè)計有限公司）

在輸油管道系統(tǒng)中，電機為輸油泵提供動力，是管道運行的主要耗能設(shè)備，一般情況下，電機選用工頻定速電機［1］。當管道輸送流量達到設(shè)計輸量時，工頻定速電機運行效率較高；當管道實際輸量遠低于設(shè)計輸量時，一般通過輸油站出站調(diào)節(jié)閥進行節(jié)流，不僅浪費能量，還縮短設(shè)備的使用壽命。若在輸油泵機組上應(yīng)用調(diào)速技術(shù)，使能量的供應(yīng)與需求相匹配，即可避免調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失，從而達到節(jié)能的目的。

1 泵的調(diào)速方式對比

目前，調(diào)速設(shè)備主要有變頻器和液力耦合器兩種［2］。在我國，成品油輸油泵多采用變頻器調(diào)速，液力耦合器在大型風(fēng)機、給水泵、帶式輸送機等方面應(yīng)用較多。

1.1 變頻器與液力耦合器工作原理

1.1.1 變頻器

變頻調(diào)速是將調(diào)速裝置安裝在供電電源與電機之間，電機轉(zhuǎn)軸直接與泵相連，通過改變電源的頻率和電壓來改變電機轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速。異步電動機轉(zhuǎn)速n計算公式為：

式（1）中： f——輸油泵電機的電源頻率，Hz；p——電機的磁極對數(shù)；s——轉(zhuǎn)差率；n——異步電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min。

由式（1）可知，當轉(zhuǎn)差率變化不大時，頻率與轉(zhuǎn)速成正比，只需改變電源頻率，即可改變異步電動機的轉(zhuǎn)速。

1.1.2 液力耦合器

液力耦合器安裝于離心泵與原動機之間，以液體為介質(zhì)，利用液體的動能來傳遞轉(zhuǎn)矩，其主要由殼體、泵輪和渦輪組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時，輸入軸從電機獲得能量帶動泵輪葉片轉(zhuǎn)動，使機械能轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髑粌?nèi)工作液的動能［3］；然后，高速液體進入渦輪帶動渦輪葉片轉(zhuǎn)動，進而，渦輪葉片的機械能傳給輸出軸帶動離心泵工作；最后，液體返回泵輪，形成周而復(fù)始的流動。

液力耦合器通過液體將輸入軸與輸出軸聯(lián)系起來，密閉工作腔內(nèi)工作液的流量決定了能量傳遞的多少，從而決定了輸出軸轉(zhuǎn)速的大小。因此，液力耦合器通過勺管來調(diào)節(jié)工作液的流量，可實現(xiàn)泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

圖1 液力耦合器結(jié)構(gòu)

1.2 變頻器與液力耦合器性能對比

1.2.1 變頻器性能

一是，傳動效率。在輸出轉(zhuǎn)速下降時，變頻器仍能保持較高的效率，其低速特性較好；二是，價格。變頻器系統(tǒng)復(fù)雜，其價格比液力耦合器高出約40%；三是，操作性。變頻器操作較復(fù)雜，需要對操作人員進行專門培訓(xùn)；四是，安全性。出現(xiàn)問題后，變頻電機不能直接掛在工頻網(wǎng)上，需要停機檢修；五是，運行可靠性。變頻器電子線路較復(fù)雜，故障率相對較高；六是，維護費用。變頻器正常運行時無消耗品，但是，使用7至8年后需更換電子元器件；七是，對外系統(tǒng)影響。變頻器產(chǎn)生的諧波電流會污染電網(wǎng)，產(chǎn)生的高壓電磁輻射污染會危害運行維護人員的健康［4］；八是，對外界環(huán)境要求。變頻器需要獨立空調(diào)房，保證恒溫恒濕條件。

1.2.2 液力耦合器性能

一是，傳動效率。液力耦合器動力損失僅限于轉(zhuǎn)差率損失和機械損失（軸承等）范圍內(nèi)，在額定操作點上傳動效率約為96%，但是，當?shù)陀陬~定輸量50%時，效率下降較快；二是，價格。液力耦合器價格較低；三是，操作性。液力耦合器操作簡單方便；四是，安全性。液力耦合器出現(xiàn)問題后，必須停機檢修［5］；五是，運行可靠性。液力耦合器除軸承外無磨損原件，可長期可靠運行；六是，維護費用。運行一定時間后，需對液壓油進行更換；七是，對外系統(tǒng)影響。液力耦合器基本沒有對外系統(tǒng)的影響［6］；八是，對外界環(huán)境要求。液力耦合器基本沒有對外界環(huán)境的要求。

2 調(diào)速液力耦合器的應(yīng)用

某成品油管道全長450km，公稱直徑為350mm，最大操作壓力為9.93MPa，最大輸量為860m3/h，全線共設(shè)泵站8座，每座泵站均設(shè)有2臺額定排量為405m3/h或440m3/h的輸油泵。管道沿線以平原、丘陵為主，外界環(huán)境條件較為苛刻，人類活動較少，社會可依托條件較差，因此，所有泵站均采用液力耦合器進行調(diào)速。

采用SPS（Stoner管道仿真器）仿真模擬軟件對該管道在低輸量下泵機組調(diào)速前后的運行工況進行模擬。650m3/h低輸量下，泵機組調(diào)速前后運行數(shù)據(jù)對比見表1，出站調(diào)節(jié)閥運行數(shù)據(jù)對比見表2。表1中泵調(diào)速后功率已考慮液力耦合器8%的效率損失。

表1 泵機組調(diào)速前后運行數(shù)據(jù)對比

表2 泵機組調(diào)速前后出站調(diào)節(jié)閥運行數(shù)據(jù)對比

由表1、表2可知，在650m3/h低輸量下，采用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)時，16臺輸油泵運行功率為19 760kW，通過液力耦合器調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速后，泵揚程減小到僅滿足實際揚程需要，輸油泵運行功率僅為10 078kW，降低了約49%，節(jié)電量約8 133×104kW·h/a，節(jié)約運行費用 4 880萬元/a（電價按 0.6元/（kW·h）計），16臺液力耦合器的投資不到半年就能收回。并且，輸量變化越大，節(jié)能效果越明顯。同時，由于避免了輸油泵出口閥的節(jié)流調(diào)節(jié)，可減少輸油泵機組的機械沖擊、磨損和噪音，延長輸油泵機組的維護保養(yǎng)周期及使用壽命。

3 結(jié)語

由于液力耦合器調(diào)速技術(shù)較難掌握，目前，我國液力耦合器調(diào)速技術(shù)還處于研究階段。在國際上，制造商也只有福伊特驅(qū)動技術(shù)有限公司。而變頻調(diào)速技術(shù)已較為成熟，而且生產(chǎn)廠家眾多，因此，我國成品油管道系統(tǒng)多采用變頻器對輸油泵進行調(diào)速。但是，經(jīng)過多年的應(yīng)用，變頻器的缺點不斷暴露出來，如，變頻器產(chǎn)生的諧波電流會污染電網(wǎng)等。與變頻器相比，液力耦合器在價格、操作性、運行可靠性、維護費用等方面存在較大的優(yōu)勢，因此，液力耦合器具有廣闊的發(fā)展前景。建議我國加大對液力耦合器的技術(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)設(shè)備國產(chǎn)化，將有利于推動液力耦合器在石油石化行業(yè)的應(yīng)用。

[1] 劉國豪,楊磊,張帥,等.變頻技術(shù)在長輸管道輸油泵機組上的應(yīng)用[J].油氣儲運,2012,31(7):543-545.

[2] 姬忠禮.泵和壓縮機[M].北京: 石油工業(yè)出版社,2008.

[3] 鄭志強.液力耦合器的節(jié)能應(yīng)用與選型[J].風(fēng)機技術(shù),2006(4).

[4] 毛蒙.液力耦合器與變頻器的基本原理及其性能[J].企業(yè)導(dǎo)報,2010(4).

[5] 楊乃喬.調(diào)速型液力耦合器在風(fēng)機上的應(yīng)用與節(jié)能[J].液壓氣動與密封,2005(1).

[6] 黃曉峰,馬留柱.液力耦合器的節(jié)能技術(shù)探索[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2011(8).