變頻調速技術在成品油管道增輸節能中的應用研究

石美云

（國家石油天然氣管網有限公司華南分公司，貴州 貴陽 550000）

在產業規模不斷壯大的背景下，如何實現在輸油過程中降低對能源的損耗，成為行業發展的關鍵。對于成品油的運輸，大多企業都會采用管道運輸模式，在此過程中，輸油泵作為支撐管道運輸的核心設備，為國內能源的傳輸與一線行業的發展提供了源源不斷的動力，但也由于輸油泵在作業中，會消耗大量的電能，從而造成管道輸油的潛在成本呈現一種增加趨勢。變頻調速節能技術是一項集現代先進電力電子技術和計算機技術于一體的節能技術。自世界各國將其投入工業應用以來，它顯示出了強勁的競爭力，其應用領域也在迅速擴展?，F在凡是可變轉速的拖動電機，只要采用該項技術就能取得非常顯著的節能效果。為了提高成品油在管道中輸送的效率與綜合水平，技術單位提出了針對此方面研究的變頻調速技術，通過對電機轉速的調整，進行電泵輸能的調度。相比早期科研單位提出的技術，此項技術具有平滑性高、穩定性優良、可調節范圍大、調節過程中對精度要求低等優勢。同時，在進行電機轉速調整與調度時，對前端系統或電網無顯著性沖擊作用，可以起到節約電能的效果。為了進一步落實此項研究成果，本文將結合變頻調速技術在應用中的優勢，對成品油在管道輸送中的增輸節能方法展開設計研究，以此種方式，降低人工輸送油品的成本，實現成品油輸送的全自動化。

1 變頻調速技術的應用

1.1 基于變頻調速技術的中壓變頻器安裝與調試

為了解決傳統成品油管道輸送存在的流量控制操作繁瑣、控制精度低等方面問題，本文提出對成品油管道安裝中壓變頻器的方式進行輸送頻率的宏觀調控。借助裝置中的變頻設備，對電動機輸油壓力進行供給，以此種方式，實現對輸油泵的有效調節。目前，在市場內應用較為廣泛的中壓變頻器包括3.0kV變頻器、6.0kV變頻器與10.0kV變頻器，可將變頻器的應用原理表示為下述計算公式：

公式（1）中：n表示為中壓變頻器調節后電機的轉速次數；1f表示為變頻器電源運行頻率；p表示為電動機磁極對數；s表示為轉差率；0n表示為同步轉速。在公式（1）中，0n與p2個數值是固定的，為了確保對其頻率調整的可行性，將從變頻器的安裝與調試2個方面，進行變頻器集成研究。

在進行變頻器安裝時，需要先進行功率部件壓力的手動釋放，并將變頻器的電機門鎖接地后打開；連接變頻器與柜機導軌，確保前端的DV總線與子端端口保持良好的連通狀態；對接變頻器與電纜，在變頻器終端進行電纜的接入保護，將螺絲栓放在固定通道中進行牢固處理，在此基礎上，將固定后的螺絲栓接入電纜，根據固定的情況，使用電纜夾對其進行固定；連接電網，檢查電機中多個相位的電纜是否保持符合導線安裝標準。

在進行變頻器調試時，先進行變頻器安裝現場條件的調試。確?，F場安裝符合標準后，對設備進行電源輸電穩定供給，確保調試前對電路的完全斷開，測試斷開前后變頻器是否能夠穩定運行。按照前端標準運行參數，進行變頻器運行參數的調整，以此種方式，確保電纜線的連接與運行在可控條件下。在完成上述調試工作后，對變頻器在成品油運輸控制中的空載、絕緣進行測試，通過測試后，即可認為安裝與調試成果符合作業標準。

1.2 成品油管道揚程控制

完成在裝置的安裝與調試后，引進變頻調速技術，進行成品油管道揚程控制。在此過程中，需要進行成品油輸送管道與輸送泵特性的分析，對兩者關系進行描述，如圖1所示。

圖1 成品油輸送管道與輸送泵之間的關系

圖1中，H、Hb與H1分別表示為成品油在管道輸送中的揚程高度，M點表示為輸送管道與輸送泵的工作交接點，在M點時，管線輸送成品油的總壓降與出口揚程呈現對等的關系，在此種條件下，ΔH的數值為0，證明此時沒有揚程損失。因此，可將M點作為變頻調速控制點，當操作傳輸過程中，成品油傳輸流量降低，需要輸送泵采用主動調節閥門與開關的方式，進行摩擦阻力的調整，此時輸送管道與輸送泵的關系曲線坡度更陡，存在部分成品油在揚程過程中被損失。倘若在此過程中采用調速技術進行調節泵轉速的控制，可以使調節泵與輸送管道關系曲線呈現一種下移趨勢，此時管道中輸送管道與輸送泵的工作點被轉移到P點，ΔH=0，揚程損失為0。綜上所述，通過對成品油輸送管道與輸送泵之間關系的描述，掌握不同工作點的揚程損失量，采用對閥門的調節，即可實現對揚程損失的降低甚至避免。

1.3 基于離心泵的管道傳輸調速

完成上述研究后，結合離心泵在成品油管道輸送中的應用，進行管道傳輸調速的研究。在此過程中，離心泵的使用可以在一定程度上提高機組或泵組對于能量的使用效率，確保需求能量與供應能量兩者呈現相互匹配的關系，在此種條件下，揚程與輸送管道的壓降相同，不存在冗余揚程路徑，可以達到對成品油輸送中的節能作用。離心泵集成在輸油管道中，對其設定一個相對恒定的轉速，可以參照上述圖1繪制一個“揚程—成品油流量—機組功率—泵效率—流量性能”的曲線，曲線的變化規律可以用下述計算公式表示：

公式（2）中：Q與 1Q表示為離心泵裝在管路傳輸成品油時，轉速對應m與 1m時的輸送流量，計算單位為m3/h；H與H1表示為轉速對應m與 1m時的揚程高度，計算單位為m；N與 1N表示為軸功率，計算單位為kW；m與 1m表示為轉速，計算單位為r/min。按照上述計算公式，當離心泵電動機的輸入功率呈現降低趨勢后，前端輸入的軸功率也對應降低，以此種方式，便可以實現對離心泵管道傳輸速度的調整。

2 實例應用分析

通過本文上述論述，在引入變頻調速技術的基礎上，對成品油管道進行優化設計，為了驗證優化后的管道是否能夠在正常運行過程中具備增輸節能效果，選擇將優化前與優化后的成品油管道應用到相同的實驗環境當中，并針對其具體的應用效果進行分析。選擇以某成品油生產與運輸企業作為依托，將優化前后的管道設置在兩種不同輸量條件下，并通過對其變頻參數等數據的設置，實現對真實成品油運輸的模擬?？紤]到本文實驗需要，采用該企業現有常見KDY220-100×4型號的油泵作為研究對象，將其應用到本文實驗環境當中。已知KDY220-100×4型號的油泵額定流量為280，為確保該油泵的穩定運輸，為其配備額定功率為710W的定速電機，并要求該油泵裝置持續24h不間斷工作。通過進一步分析得出，該型號油泵每年消耗的電量在6000000kW以上，若按照每度電為0.5元進行計算，每年產生的電費將超過300萬元。由于成品油生產與運輸企業運營的實際需要是結合油量以及用油需要進行不斷調整的，因此無論流量如何變化，其耗電量都是固定不變的，并且有很大一部分電能做了無用功。

首先，初步針對變頻調速技術在這一環節中的可行性進行探究。針對該項技術應用前后成品油管道輸送過程中異步電動機的轉速進行測定，若在該項技術應用后異步電動機轉速沒有發生明顯的增加或降低變化，則說明該技術的應用不會對成品油運輸設備造成影響。在測定其轉速時，考慮到實驗的客觀性，針對該項技術應用前后，均采用公式（1）所示的公式進行計算。將計算結果記錄，并繪制成如表1所示的實驗結果對比表。

表1 變頻調速技術應用前后異步電動機轉速對比

結合表1中的數據可以看出，在引入變頻調速技術前后異步電動機的轉速存在較大差異，但其轉速數值均在成品油管道運輸要求的異步電動機轉速標準范圍1800～3800r/min以內，初步驗證了變頻調速技術應用的可行性。同時，從表1數據進一步分析得出，在引入變頻調速技術后，隨著數量的增加，轉速并沒有出現隨之上升的變化，而引入技術前存在這一特點。當異步電動機轉速降低時，軸功率也會隨之開始降低，進而實現對油泵變頻調速節能效果。因此，綜合上述分析得出，引入該項技術后的傳輸方式能夠在不受輸量條件影響的情況下，保證傳輸效率的同時，實現更低的異步電動機轉速。

在完成上述對變頻調速技術的應用可行性驗證后，為了進一步驗證本文提出的方法在實際應用中的增輸節能效果，針對優化前后成品油輸送中的揚程進行分析。測量得到管道輸量為760m3/h。在實驗過程中，針對優化前后2種管道的輸送揚程進行計算，其計算公式為：

公式（3）中，L表示為管道輸送揚程；2P表示為管道出口位置上成品油的壓力；1P表示為管道入口位置上成品油的壓力；ρ表示為成品油的密度；G表示為成品油在運輸過程中產生的重力加速度；V表示為成品油在運輸過程中的流速；Z表示為成品油進入管道與排出管道的高度差。根據公式（1）計算得出2種管道在對成品油運輸過程中的揚程，并在成品油輸送里程的各個節點上對其揚程數據進行記錄。成品油輸送里程節點為1.0×106km、5.0×106km、10.0×106km、15.0×106km。根據上述內容，開展實驗，并將最終得出的優化前后2種管道的成品油輸送揚程記錄下來，如圖2所示。

圖2 揚程距離對比結果

在相同的成品油輸送里程條件下，成品油輸送揚程越高，則輸油泵出口位置上的節流閥節流損失量越高；反之，成品油輸送揚程越低，則輸油泵出口位置上的節流閥節流損失量越低。根據上述理論可以進一步分析得出，成品油輸送中的揚程越高，管道的增輸節能效果越差；反之同理。在上述理論基礎上，從圖2優化前后2種管道的揚程距離對比結果可以看出，隨著成品油輸送里程的不斷增加，優化前的管道揚程變化幅度十分明顯，并且最高揚程超過了1800m，嚴重不符合成品油管道運輸的增輸節能效果要求，而按照本文提出的優化方法優化后的成品油管道揚程隨著成品油輸送里程的增加，呈現出緩慢上升的趨勢，并且在15.0×106km時成品油輸送揚程僅為1000m，能夠充分滿足成品油管道增輸節能的設計需要，降低能源浪費。通過上述綜合論述分析得出，在引入變頻調速技術的基礎上，將本文優化后的管道應用于成品油加工與生產領域當中，可以為企業綠色節能發展提供重要技術支撐條件。

3 結語

本文從中壓變頻器安裝與調試、成品油管道揚程控制、基于離心泵的管道傳輸調速3個方面，對基于變頻調速技術的成品油管道增輸節能方法展開了設計研究，完成設計后，將優化前的輸送方法與優化后的輸送方法進行對比，對比后證明了本文設計的方法能夠充分滿足成品油管道增輸節能的設計需要，降低能源損耗，減少輸送中的成品油揚程里程，達到成品油管道增輸節能的優化設計效果。此外，可將本文研究成果在市場內進行推廣，以此種方式，為現代化產業的可持續發展進行助力。