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        變頻調(diào)速技術(shù)在輸油管道上的應(yīng)用

        2018-10-09 10:07:00劉超敬朋武張小俊羅毅劉楊
        石油石化綠色低碳 2018年4期
        關(guān)鍵詞:離心泵調(diào)節(jié)閥變頻

        劉超,,敬朋武,張小俊,羅毅,劉楊,陳

        (1.中國石油北京油氣調(diào)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(jù)市場需求以及實際需要選擇不同的流量,這就需要調(diào)度員對管道輸量進行人為干預(yù)和動態(tài)調(diào)整。在未設(shè)置變頻泵的管道上,通常使用壓力調(diào)節(jié)閥進行流量調(diào)節(jié),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(shè)計壓力6.3~9.0 MPa,設(shè)計輸量為298 m3/h。全線共設(shè)置工藝站場兩座,分別為首站與末站,水力系統(tǒng)設(shè)置較為簡單。首站設(shè)有給油泵、輸油主泵、出站壓力調(diào)節(jié)閥各兩臺,均為一用一備。泵機組設(shè)備參數(shù)見表1。

        由于管道在設(shè)計時驅(qū)動電機與離心泵的選型不合適,所選型號功率過大,導(dǎo)致管道在設(shè)計輸量下能量浪費現(xiàn)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(diào)節(jié)閥開度為33%,調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥開度為25%,調(diào)節(jié)閥壓損為2.09 MPa,管輸系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)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(shè)備參數(shù)

        使用泵—管道系統(tǒng)工作特性曲線H—Q進行討論可以直接表現(xiàn)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(tǒng)工作點),但是由于該點對應(yīng)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(yù)進行調(diào)整,以獲得目標流量[2]。

        表2 管輸系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)

        圖1 泵—管道系統(tǒng)工作特性曲線

        因此需要用出站壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié),這一調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥開度時,在調(diào)節(jié)閥的節(jié)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(tǒng)工作點沿著泵特性曲線左移至A點,對應(yīng)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(tǒng)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(diào)節(jié)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(nèi)介質(zhì)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(guān),二者的乘積直觀的表現(xiàn)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(tǒng)所需能量較大,節(jié)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(tǒng)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(jié)能改造。經(jīng)過多種技術(shù)方案比選后決定采用增設(shè)離心泵變頻調(diào)節(jié),避免調(diào)節(jié)閥壓力損失過大,浪費能量。

        電動機轉(zhuǎn)速與變頻器的輸出頻率呈線性關(guān)系。離心泵變頻控制后特性曲線也相應(yīng)發(fā)生變化。如圖1中黑色虛線所示,在某特定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)閥節(jié)流調(diào)節(jié)。

        根據(jù)離心泵相似原理與比例定律:

        可見泵出流量與離心泵的轉(zhuǎn)速呈正比關(guān)系,而泵揚程與轉(zhuǎn)速的二次方呈正比,所需的軸功率與轉(zhuǎn)速的立方呈正比關(guān)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(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下,單位時間內(nèi)泵送流體體積數(shù)降低,揚程與功率值均大幅降低。使用變頻器進行調(diào)節(jié)后,壓力調(diào)節(jié)閥開度設(shè)定為100%。

        2 變頻節(jié)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(xiàn)有接地系統(tǒng)做局部調(diào)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(tǒng)進行操作控制,兩臺進線柜之間設(shè)計電氣互鎖功能,防止同時合閘情況出現(xiàn)。

        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(yīng)關(guān)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(tǒng)進行控制。同步切換時,投切指令由站控SCADA系統(tǒng)發(fā)送給PLC系統(tǒng),再由該PLC系統(tǒng)判斷后發(fā)出投切信號。在投切完成后,旁路斷路器的控制將由SCADA系統(tǒng)完成,在調(diào)試或變頻器就地控制狀態(tài)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(nèi)。該柜用于變頻工作模式,在不同電機運行時,對應(yīng)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(tǒng)由新增PLC柜組成,該系統(tǒng)可與SCADA系統(tǒng)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(jié)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(jié)能降耗效果明顯,詳見表3。

        表3 項目實施前后能耗數(shù)據(jù)對照

        3 結(jié)論

        通過應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)對站場動力系統(tǒng)進行改造,驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速改變后,泵特性曲線也隨之改變,替代了使用出站壓力調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)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(tǒng)效率顯著提高[7-8]。實踐證明,離心式輸油泵負載通過調(diào)速控制可節(jié)能20%~50%[9],特別是當管道處于低輸量運行的工況下時,應(yīng)用此項技術(shù)可產(chǎn)生更加明顯的經(jīng)濟效益。

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