高壓變頻器在并聯(lián)輸油泵機組上的應(yīng)用與節(jié)能分析.doc

高壓變頻器在并聯(lián)輸油泵機組上的應(yīng)用與節(jié)能分析變頻器/并聯(lián)輸油泵/應(yīng)用/節(jié)能1 引言 惠民站3臺輸油泵均為并聯(lián)泵，在正常生產(chǎn)情況下基本為2臺泵并聯(lián)運行，1臺備用。原來是通過調(diào)節(jié)泵出口閥門開度來調(diào)節(jié)流量的，電能浪費嚴(yán)重。采用高壓變頻器實現(xiàn)輸油泵的調(diào)速控制，取得了較好的效果(有的節(jié)能高達(dá)30%-40%)，大幅度降低了輸油成本，提高了自動化程度，且有利于泵機組和管網(wǎng)的降壓運行，減少了滲漏、爆管，可有效延長設(shè)備使用壽命。又可大幅度節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本。2 變頻器及并聯(lián)泵流量調(diào)節(jié)簡介2.1 變頻器簡介 惠民站采用的是羅賓康完美無諧波系列變頻器，此系列變頻器通過將固定頻率、固定電壓的公用電源轉(zhuǎn)換為可變頻率、可變電壓的電源而改變電機速度，這種變換是電子式的，無任何運動部件。變頻器主要由變壓器部分、用戶I/O部分、控制部分、功率單元部分組成。變壓器部分包括輸入隔離變壓器，輸入電源線從這部分進(jìn)入變頻器，到電機的輸出電源線也從這部分引出。輸入隔離變壓器為帶18個隔離次級的特殊變壓器，每個功率單元由輸入隔離變壓器具有不同角度相位差的次級供電，通過光纖接收調(diào)制信息以產(chǎn)生負(fù)載所需要的輸出電壓和頻率。與標(biāo)準(zhǔn)的 PWM 系統(tǒng)不一樣，加在電機端子上的電壓是由許多較小幅度電壓疊加所產(chǎn)生的，而不是采用較少的大幅度電壓。這樣有獨到的好處：對電機絕緣的電壓應(yīng)力明顯減小，而電機電流的質(zhì)量則明顯提高。此系列變頻器無需外置升壓變壓器，不會使工廠配電系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的諧波失真；不需要電源濾波器；對敏感設(shè)備無干擾；不會使功率因數(shù)補償電容器產(chǎn)生諧振問題。變頻器輸入電流失真明顯減少，輸入功率因數(shù)保持高于0.95。輸出接近完美的正弦波，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、噪聲等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的鼠籠型異步電動機。其效率（包括變壓器在內(nèi)）能達(dá)到96.5%。2.2 并聯(lián)泵流量調(diào)節(jié)方式簡介 惠民站3臺泵均為并聯(lián)泵，正常生產(chǎn)情況下基本為2臺泵并聯(lián)運行，1臺備用。通過調(diào)節(jié)泵出口閥門開度來調(diào)節(jié)流量，以全線8泵運行為例：惠民站主要運行技術(shù)參數(shù)：泵壓5.0MPa，干壓2.6MPa，則壓差為2.4MPa，壓力損失48%，節(jié)流損失嚴(yán)重，輸油電單耗為：2.19kWh/m3。另外，此種調(diào)節(jié)方式，由于出口閥前后壓差較大，泵本身承受的壓力較大，對閥門及泵的機械損耗增大，維修量也較大。采用改變電機轉(zhuǎn)速進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，出口閥全開，可大大降低閥門、泵承壓，提高使用壽命，減小維修量，更主要的是降低電單耗，節(jié)約資金。為了節(jié)約投資并實現(xiàn)節(jié)能的目的，根據(jù)惠民站實際運行工況，選擇安裝2臺變頻器，帶3臺電機運行，目前，由于實現(xiàn)1臺變頻器帶2臺電機同時變頻運行比較困難，系統(tǒng)采用變頻器可拖動2臺電機中任一臺變頻運行，另一臺工頻運行，也可以2臺都在工頻狀態(tài)，這樣，即解決了資金問題，又能達(dá)到并聯(lián)泵的運行工況要求。3 變頻控制方式 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用在輸油泵機組固然可產(chǎn)生較好的節(jié)能效益，但由于輸油系統(tǒng)屬于油庫生產(chǎn)中的一個重要樞紐環(huán)節(jié)，長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)，除對設(shè)備本身要求有較高的可靠性之外，在技術(shù)方案上必須與現(xiàn)場的工藝特點相結(jié)合，充分考慮現(xiàn)場操作，啟動、停機，以及調(diào)節(jié)等諸方面的安全性，適用性和方便性。本系統(tǒng)在應(yīng)用中采用了以下技術(shù)措施。 （1）系統(tǒng)具備工頻、變頻手動切換功能。一旦變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可以手動切換到工頻檔，將變頻系統(tǒng)甩開，在變頻系統(tǒng)維修期間，也可保障輸油泵的正常運行，滿足輸油生產(chǎn)的需要。 （2）系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)頻率的調(diào)節(jié)采用開環(huán)手動調(diào)節(jié)方式。考慮到輸油系統(tǒng)要求安全平穩(wěn)運行，及反打孔盜油系統(tǒng)要求，及時捕捉定位壓力變化點的特點，本系統(tǒng)不宜采用閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。因為受整個輸油系統(tǒng)管網(wǎng)波動的影響，如采用閉環(huán)控制，很容易造成系統(tǒng)的自動停機，或者引起整個輸油系統(tǒng)的擾動，由于調(diào)速系統(tǒng)自動跟隨壓力變化而無法準(zhǔn)確定位壓力變化點，給輸油生產(chǎn)的調(diào)度指揮帶來不利的影響。而采用開環(huán)人為控制，通過一定運行時間的技術(shù)摸索，在不同工況下，人為地設(shè)定和調(diào)整變頻系統(tǒng)的參數(shù)，即可減少部分初期投資，又可保障輸油系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運行。 （3）現(xiàn)場設(shè)置啟動、停止以及緊急停機按鈕，控制室內(nèi)設(shè)上位機對運行參數(shù)進(jìn)行實行顯示，極大地方便了現(xiàn)場操作人員的操作和對設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)視。 （4）優(yōu)化系統(tǒng)的保護(hù)參數(shù)，確保輸油系統(tǒng)的連續(xù)平穩(wěn)運行。在應(yīng)用于輸油系統(tǒng)時必須慎重選擇，并對一些保護(hù)的參數(shù)按實際需要進(jìn)行設(shè)置。避免由于變頻系統(tǒng)的保護(hù)過于靈敏而造成輸油泵停機，影響輸油系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運行。 針對惠民站并聯(lián)輸油泵的工藝要求及初期投入的限制，3臺輸油泵機組配備2臺變頻器，1臺為一拖一方案，1臺為一拖二方案，其中一拖二方案要求2臺輸油泵不同時變頻運行，可以實行相互切換，為增加運行的安全可靠性，變頻系統(tǒng)通過高壓隔離開關(guān)實現(xiàn)變頻與工頻的切換并在機械上實現(xiàn)互鎖，避免誤操作造成變頻器損壞，變頻調(diào)速系統(tǒng)接于6kV電壓等級的主動力電源系統(tǒng)。接線如圖1所示。圖1 主接線圖注：VFD1、VFD2： 變頻器 M1、M2、M3電機QS：隔離開關(guān)QF：高壓斷路器 變頻器的速度給定有2種方式可以實現(xiàn)： 一是從站控監(jiān)控主機給定一個速度值，實現(xiàn)“遠(yuǎn)控”給定； 二是從變頻器控制柜面板鍵盤給定一個速度值，實現(xiàn)“就地”給定。4 高壓變頻器節(jié)能分析4.1 惠民站原流量調(diào)節(jié)方式 這種方法是借助改變出口閥門開度的大小來調(diào)節(jié)流量的。它是一種相沿已久的機械方法。閥門控制的實質(zhì)是改變管道中流體阻力的大小來改變流量。因為泵的轉(zhuǎn)速不變，其揚程特性曲線HQ保持不變，如圖2所示，當(dāng)閥門全開時，管阻特性曲線R1Q與揚程特性曲線HQ相交于點a，流量為Qa，泵出口壓頭為Ha。若關(guān)小閥門，管阻特性曲線變?yōu)镽2Q，它與揚程特性曲線HQ的交點移到點B，此時流量為Qb，泵出口壓頭升高到Hb。則壓頭的升高量為：Hb=Hb-Ha。于是產(chǎn)生了能量損失。圖2 Hb=HbHa 在泵機組啟運時，由于啟動電流是額定電流的57倍，不但大量消耗電能還使電機組產(chǎn)生大量的熱能，加速電機的老化過程，使得泵及電機的壽命大大縮短。4.2 變頻器對流量調(diào)節(jié)方式 借助改變泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，這是一種先進(jìn)的電力電子控制方法。轉(zhuǎn)速控制的實質(zhì)是通過改變所輸送液體的能量來改變流量。因為只是轉(zhuǎn)速變化，閥門的開度不變，如圖3所示，管阻特性曲線R1Q也就維持不變。額定轉(zhuǎn)速時的揚程特性曲線HaQ與管阻特性曲線相交于點a，流量為Qa，出口揚程為Ha。 當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時，揚程特性曲線變?yōu)镠cQ，它與管阻特性曲線R1Q的交點將下移到C，流量變?yōu)镼c 。此時，假設(shè)將流量Qc控制為閥門控制方式下的流量Qb，則泵的出口壓頭將降低到Hc。因此，與閥門控制方式相比壓頭降低了：Hc=Ha-Hc。據(jù)此可節(jié)約能量與Pc=HcQb成正比。 將這兩種方法相比較可見，在流量相同的情況下，轉(zhuǎn)速控制避免了閥門控制下因壓頭的升高和管阻增大所帶來的能量損失。在流量減小時，轉(zhuǎn)速控制使壓頭反而大幅度降低，所以它只需要一個比閥門控制小得多的，得以充分利用的功率損耗。5 節(jié)能數(shù)據(jù)分析5.1 理論節(jié)能分析 惠民站3臺并聯(lián)泵，型號及參數(shù)相同，額定功率Pe為1600kW，額定流量為750m3/h，揚程為550m，電機轉(zhuǎn)速為2980r/min。 由離心泵的特性可知，在管路特性曲線不變的情況下，改變離心泵轉(zhuǎn)速后，其性能參數(shù)的改變由下式確定： Q/Q1=n/n1 H/H1=(n/n1)2 P/P1=(n/n1)3 式中： Q 、H 、P 離心泵轉(zhuǎn)速為n時的流量、揚程、功率； Q1、H1、P1離心泵轉(zhuǎn)速改變?yōu)閚1時的流量、揚程、功率； 現(xiàn)假定，電動機系統(tǒng)在使用變頻器調(diào)速前后的功率因數(shù)基本相同。 理論節(jié)能量可用GB/T 12497-2006三相異步電動機經(jīng)濟運行強制性國家標(biāo)準(zhǔn)實施監(jiān)督指南中的計算公式，即： (1) 式中： PL電機輸入功率 Pe額定流量時電機輸入功率kW QN額定流量 泵節(jié)電率按下式為： (2) 東臨老線通常采用的運行方式有三種： a、為全線4泵：東營2臺、惠民2臺； b、全線5泵：東營2臺、濱州1臺、惠民2臺； c、全線8泵：東營3臺、濱州1臺、惠民2臺、商河2臺。 各種工況下的理論節(jié)能量如表1所示。 變頻器的效率一般為95%-96%，因此在計算變頻調(diào)速節(jié)能時要將變頻器5%左右的損耗考慮在內(nèi)。如考慮了變頻器的損耗，表1中計算的節(jié)能率就應(yīng)該為21%、15%、42%，這樣的計算結(jié)果與實際節(jié)能率更為接近。5.2 實際節(jié)能數(shù)據(jù) 通過近一年的實際應(yīng)用，對惠民站不同運行工況下，高壓變頻器使用前后的日耗電對比情況如表2所示。表1 各種工況下的理論節(jié)能量表2 高壓變頻器使用前后的日耗電對比情況 不難看出東臨老線全線在同等輸量和同一原油輸送方式下，惠民站的出站壓力相同，使用高壓變頻器每月可節(jié)約電費1736030=52.08萬元，（按最低節(jié)能量計算）每年可節(jié)約的電費為52.0812=633.6萬元，前期投資在一年內(nèi)即可收回，另外，減少了啟動電流對電機的沖擊，延長了電機的使用壽命，減少了設(shè)備的維修費用，創(chuàng)造了可觀的間接經(jīng)濟效益。6 結(jié)束語 隨著電氣傳動技術(shù)，尤其是變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，高壓電機利用高壓變頻器可以實現(xiàn)無級調(diào)速，滿足生產(chǎn)工藝過程對電機調(diào)速控制的要求，采用高壓變頻器對泵類負(fù)載進(jìn)行速度控制，不但對改進(jìn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量有好處，又符合節(jié)能和設(shè)備經(jīng)濟運行的要求，是可持續(xù)發(fā)展的必然趨