機泵調速技術在石油化工廠的應用及發展

張小龍，劉 亮

（陜西延長石油（集團）有限責任公司延安石油化工廠，陜西延安 727406）

目前，石油化工企業機泵整體運行效率偏低，間接降低了石油化工整體生產效率和質量，形成原因比較復雜，如生產方案與加工量發生改變，導致裝置運行期間承受較大壓力，影響機泵運行效率和穩定性，甚至超負載運行，不僅能源消耗量大，還會影響機泵正常運行效率。所以，合理利用機泵調速方式，在確保機泵運行效率與穩定的同時，有效降低能源消耗，對于石油化工企業經濟效益提升尤為關鍵。

1 機泵在石油化工中應用

1.1 機泵應用原理

機泵是輸送流體或使流體增壓機械，通過把原動機機械能或外部能量輸送液體，以增加液體能量。目前機泵主要有電動泵、水輪泵、單級泵和多級泵等，在工業領域應用十分廣泛。

1.2 機泵在石油化工中用途

機泵作為通用性機械設備之一，廣泛應用于石油、化工、電力和冶金等多個領域。在石油化工廠中，機泵的用途包括計量、物料輸送等多個環節。作為石油化工日常生產基礎設備，機泵運行效率和穩定性也決定著石油化工企業整體生產運行效率和質量。

2 石油化工機泵應用現狀

機泵作為石油化工廠重要基礎設施，不僅應用面廣泛，并且其運行狀態也是決定石油化工廠具體運行關鍵因素，但從實際情況來看，石油化工廠機泵實際運行時，存在機泵工作效率偏低的問題，以至于影響石油化工廠整體運行效率與生產穩定性，引發這一問題的主要原因分析如下。

2.1 加工量與生產方案改變

石油化工廠日常生產過程中，為確保生產效率與質量，經常出現加工量與生產方案改變，這使得實際生產過程中所采用機泵裝置負荷出現較大波動，進而引發機泵運行效率下降，最終影響石油化工廠整體運行效率和效果。

2.2 加工量少

石油化工廠運行時，機泵裝置一般會處于低負荷運轉狀態，會導致后路出現不暢通現象，加上石油化工廠生產所采用材料會隨著外界條件改變而發生變化，出現機泵運行效率偏低的問題。

2.3 機泵電機選擇過大

在石油化工廠設計過程中，受動力設備適用范圍廣泛影響，電機與泵過大，使機泵操作點過遠，機泵運行時無法達到最佳效率狀態。機泵選擇過大，實際作業操作時，智能利用調節閥浪費，最終出現“大馬拉小車”問題，不僅能源消耗浪費嚴重，還會影響機泵工作效率與穩定性。

2.4 機泵應用問題

石油化工廠機泵一般以國產水泵為主，與國外泵相比，平均效率偏低，加上型號系列不全，在機泵設計選擇時，以大代小也會影響機泵運行效率。并且，石油化工廠機泵一般是在變工況情況下運行，機泵負載與平均功率偏低，影響機泵實際運行效率和穩定性。

3 常見機泵調速方式

目前，機泵調速方式較多，大體可以分為機械調速與電氣調速兩大類。其中機械調速包括液力偶合器、ω油膜離合器等方式，而電氣調速則包括變頻調速、變極調速、串級調速與定子調壓調速。機泵調速還可以分為低效調速系統與高效調速系統，低效調速系統主要是通過調速轉差功率利用發熱方式消耗，但存在不能回收和效率低等問題，而高效調速系統調速模式，不僅無附加轉差損耗，并且調速效率也比較高。常見機泵調速方式總結分析如下。

3.1 液力偶合器調速

液力偶合器調速是一種以液體為介質傳遞功率的液力傳動裝置，改變工作腔內部液體充油度，在不影響動機轉速基礎上，實現驅動機械無級調速。

在實際應用時，液力偶合器調速應用優勢明顯，不僅運行穩定、適用范圍廣，并且調速范圍廣、功率因數高。液力偶合器調速在大功率異步電機應用時，經濟性和安全性更高。

但其缺點也比較明顯，應用時存在速度損失，不能實現全速運行，一旦調速時發生故障會引發機泵運行隱患。調速后實踐較差，調速效率會隨著轉速急劇下降，使得后續維修保養困難，強烈振動影響機泵運行效率。

3.2 ω油膜離合器調速

ω油膜離合器調速與液力偶合器調速性能接近，是20世紀70～80年代研制的調速裝置之一，但ω油膜離合器的體積更小、售價更低、運行也更加可靠，不僅能實現自動化控制，技術經濟指標優勢也更明顯，并且調速范圍比液力偶合器更寬，具有較高功率因素，也不會產生高次諧波與電網污染，在機泵調速時，可以優先選用ω油膜離合器進行調速。

3.3 變頻調速

變頻調速主要是通過電源恒壓、恒頻電能經整流逆變等方式，把電壓頻率可調節電能提供給機泵調速應用，以此實現機泵調速的目的和效果。

變頻調速性能優勢不僅可以實現無級調速，并且調速范圍更寬、調速精度也比較高。而且變頻調速啟動電流比較小，不會對電網造成沖擊，可以減少配電裝置容量，加上功率因數高優勢，不需要再另加電容補償，具有反應靈敏快速、自動化生產實現容易、調控容易、操作簡單和維護保養簡單等優勢[1]。但其應用劣勢也比較明顯，其技術復雜、初期建設投資高和對電網有干擾等，在實際選擇時需要提起重視。

3.4 變極調速

變極調速應用時限制比較明顯，只能用于不連續、成比例機泵速度改變，初期投資比較低，維修保養方便，節能效果好，可靠性強優勢，變極調速一般需和其他調節方式相配合，常用于流量調節范圍較寬的場合。如變極調速可與節流調節、入口導流器調節、液力偶合器等可連續調速的調節方式相組合進行聯合調節。

3.5 電磁滑差調速

電磁滑差調速主要利用電磁滑差離合器在電機與負載之間進行轉矩傳遞，在改變勵磁電流的同時帶動離合器滑差，以此實現生產機泵轉速改變。這種調速方式調速范圍在20%～97%，加上初期投入成本低、技術水平掌握簡單等優勢，在長期、高速與短期、低速運行工況都比較適用。但從電磁滑差離合器調速應用現狀來看，受工況與其他條件影響，電磁滑差離合器應用并不多。

3.6 串級調速

串級調速主要通過電源恒壓、恒頻電能傳送電機定子，以此把轉子轉差功率經整流逆變后轉變為恒壓、恒頻電能反饋回電網，以此實現機泵調速。

串級調速優勢在運行效率高，一般可以保證在90%左右，適用于流量變化范圍70%～95%的大、中容量負載調速。但其劣勢也比較明顯，串級調速只適用于繞線式異步電機，對于市面比較常見鼠籠型電機和同步電機則不適用，并且到容量電機中應用時，運行不可靠因素也比較大，加上功率因數低、電網干擾大與維護保養困難等問題，應用串級調速需要慎重。

3.7 定子調壓調速

定子調壓速通過把轉差損耗消耗在電機轉子上實現機泵調速，但是由于轉子發熱問題，機泵容量不能太大，還需要配合可控硅進行調速，并且隨著速度的下降，電機諧波損耗也會增加，所以這一調速方式只適用于流量變化范圍比較小的部分，但其技術成熟、設備簡單、投資小和操作使用保養維護簡單優勢，在小型機泵調速中應用明顯。

3.8 轉子串電阻調速

轉子串電阻調速，通過繞線式異步電機轉子回路中傳入合適電阻，在改變啟動轉矩大小的同時，對機泵機械特性進行同步改變。

轉子串電阻調速優勢在于可靠性高、原理性能簡單、調速范圍廣泛、為電機全速運行提供基礎、不產生高次諧波與電網干擾、功率因素高和維護保養簡單優勢，在機泵調速中應用優勢明顯。但實際調速時啟動轉矩比較大，加上故障處理需要停車、節能效果差等劣勢，在實際選擇時需要加強注意。

4 機泵調速技術在石油化工廠中應用思路

4.1 依托自身實際，選擇合理調速技術

目前機泵調速方式有很多，但具體選用那種調速方式，就需要依托自身實際進行選擇，以確保機泵調速方式選擇科學合理。參考設備投資規模、電機負載類型、容量大小、運行效率、功率因數、設備可靠性、維修難度、節能效果、調速范圍和機械控制性能等多項指標進行綜合考量，而不是功能越先進或投資越少等單一指標進行考量，需要從技術發展角度入手，在綜合全面考量基礎上，實現機泵調速科學合理。

首先，要對石油化工廠機泵現狀進行分析，通過對石油化工廠現有基本情況進行了解，包括對設備投資規模、電機負載類型、容量大小、運行效率、功率因數等多個方面信息進行收集，并形成總結歸納，同時對收集信息數據進行全面科學分析，得出機泵調速實際需求和目標，為后續機泵調速方式選擇提供基礎。其次，從自身維修能力與維修水平入手，在了解自身維修能力基礎上，結合節能需求目標，從而形成自身基礎分析，為后續機泵調速選擇提供良好基礎，確保后續機泵調速方式選擇合理性與有效性。最后，基于上述常見調速方式分析，從其適用范圍、性能特點與技術發展目標等多個方面進行考慮，形成針對性機泵調速方式選擇，確保后續機泵調速方式科學合理，強化石油化工廠生產運行經濟效益。如當流量在額定流量90%以上變化時，調速方式一般不采取調速裝置的方式，應該以電機效率提升為主，以此確保機泵調速獲得良好的節能效果，避免流量過大時使用調速裝置出現不必要能量損耗；而石油化工廠非防爆場所則可以使用轉子串電阻調速，但煉油裝置則不能采用；液力偶合器與ω油膜離合器作為兩種比較成熟的機械調速方式，在實際選擇應用時，應該從節能角度入手，當原油加工量變化比較大時、大型機泵處于低負荷時，則適用于機械調速方式，而液力偶合器與ω油膜離合器相比，ω油膜離合器調速優勢更為明顯；串級調速應用時，實際使用時需要利用繞線式電機，加上設備改造時使用不便，所以在石油化工廠防爆場所不宜使用；變頻調速主要適用于石化系統中大量鼠籠型異步電機改造，在低轉速區域運行或啟停頻繁機泵方面應用節電性能更佳，加上設備運行周期長等優勢，在實際選擇時進行放心選擇，但實際使用時會給生產操作帶來不便，所以需要進行針對性考量，以此避免出現機泵調速不合理問題[3]。

4.2 多種調速方式綜合利用

機泵設備作為石油化工廠基礎設備設施，在石油化工廠中應用方向很多，并且，受應用方向不同，機泵設備所選取類型也不同，所以單一調速方式選擇并不適用于石油化工廠機泵調速方案，所以，實際對機泵調速技術在石油化工廠中應用進行分析時，可以通過多種調速方式綜合利用的方式，以此確保石油化工廠機泵調速技術體系科學合理，在降低能耗的同時，實現機泵工作效率調整，有效提升機泵經濟效益。

針對石油化工廠機泵實際規格類型，設置多種調速方式并存的機泵調速技術體系，以滿足石油化工廠調速需求的同時，強化機泵調速的效率和效果。如液力偶合器調速可以應用于石油化工廠輸油泵電機中，在滿足原油流量被動要求的同時，強化機泵調速后節能效果；而ω油膜離合器調速則應用于石油化工廠PVA泵房，在大泵全輸出工況下進行調速節能，強化機泵運行效率和效果的同時，實現機泵調速節能效果；變頻調速則可應用于煉油廠酮苯脫蠟裝置回收系統機泵中，在利用變頻調速后，不僅可以強化機泵工況與系統參數，并且其電機實際負荷與能源損耗也得到了大幅度降低，對于機泵穩定運行具有良好效果；變極調速則主要適用于泵站JS128-6電機，在降低機泵能耗與供水單耗同時，強化泵站電機運行效率與穩定性；定子調壓調速則可應用于石油化工廠小型電機之中，利用其設備簡單、投資損耗小優勢，強化機泵調速質量和效果。

4.3 交流調速系統構建

石油化工廠中機泵調速除了常見基礎調速方式外，還可以從新型電子信息技術調速系統構建入手，在強化機泵調速效率效果的同時，強化機泵調速現代化水平。而交流調速作為新興調速方式之一，其主要以通信系統調制技術為基礎，是現代機泵調速典型代表。

首先，以電力電子器件為主，通過智能模塊IPM電力電子掐尖使用形成變頻調速裝置，不僅可以強化調速質量，并且其性價比優勢，還可以滿足石油化工企業機泵變頻節能目標，對于促進機泵調速信息化水平強化具有良好效果。其次，利用脈寬調制技術對變頻裝置性能進行優化完善，在變頻調速系統中加入脈寬調制技術，不僅可以及時準確實現變壓變頻控制要求，還可以對逆變器輸出電壓、電流中諧波分量進行控制，降低變頻調速電機轉矩脈動，在強化蹦極工作效率的同時，拓展機泵調速系統調速范圍。然后，從矢量變化控制技術與直接轉矩控制技術應用入手，在定向轉子磁通基礎上，對交流電動機控制進行優化，不僅調速控制效果更佳，并且機泵調速后節能效果也更好，而且隨著科技進步發展，除了矢量變化控制技術與直接轉矩控制技術融入以外，還可以通過多變量解耦控制或變結構滑?？刂频确绞綄ψ冾l調速進行優化，以此強化石油化工廠機泵調速質量與效果。最后，通過微型計算機控制技術融入的方式，在構建交流調速系統時，通過微型計算機控制技術的融入，強化交流調速系統可靠性與操作設備多樣化、靈活性，在降低變頻調速裝置體積與投資成本的同時，實現良好機泵調速效率和效果。并且，通過單片機、數字信號處理器、精簡指令集計算機合理應用，促進模擬控制向數字控制系統轉化的同時，強化機泵調速優化發展。不僅如此，在交流調速系統構建時，還可以加強面非線性解耦控制、人工神經網絡適應控制、模糊控制等新興控制策略的應用融入，以強化交流調速系統構建質量水平，推動石油化工廠機泵調速整體質量效果優化。

5 結語

目前，機泵調速方式較多，每種調速方式優勢與技術特點也有所不同，在實際應用發展時，應該針對石油化工廠機泵實際情況與機泵調速需求進行綜合考量，在確保調速效率與節能效果的同時，強化石油化工廠機泵實際運行效率與質量，促進石油化工廠及經濟效益提升。