输油泵变频节能技术分析与运用

　　摘 要 针对长输管道中输油泵的变频节能技术问题, 对输油泵变频调速控制系统的节能原理、基本工作原理及在实际运用中影响变频调速范围的因素进行了分析,分析结果表明, 输油泵变频节能技术在长输管道节能降耗应用中具有优越性和重要意义。

　　主题词：输油泵 变频技术分析

   运用一 、输油泵变频调速运行的节能原理根据离心泵的特性, 其工况的调节主要是调节流量, 而离心泵调节流量最常用的两种方法有, 一是通过调节泵出口阀的开度进行调节, 另一种则是通过改变离心泵的转速进行调节。前者虽然调节方便, 但会造成巨大的能源浪费, 通过对输油泵电机的变频改变电机的转速来实现输油泵的工况调节, 是满足工艺运行条件下的一条可行的技术途径。由离心泵的特性可知, 在管路特性曲线不变的情况下, 改变离心泵转速后, 其性能参数的改变由下式确定。

　　Q / Q1  =n/ n1离心泵的特性曲线公式:H/ H 1  =(n/ n1) N / N 1   =(n/ n1 )

　　式中Q 、H 、N — —离心泵转速为 n 时的流量 、扬程 、功率 ;Q1 、H1 、N 1 — —离心泵转速改变为 n1 时的流量 、扬程、功率。

　　输油泵采用阀门调节时, 当流量要求从 Q1 降到 Q2 时, 必须关小阀门而使得阀门的摩阻变大, 管路曲线从 R 变为R′, 扬程由 Ha   上升到 H b  , 运行工况从 a 点移到b 点(见图 1)。调速控制时 , 当流量要求从 Q1 降到 Q2 时, 由于管路曲线 R 不变, 输油泵的特性取决于转速。如果将转速从 n 降到n′, 性能曲线由(Q -H )变为(Q -H )′, 运行工况点则从 a点移到c 点 , 扬程从 Ha 下降到Hc (见图2)。根据＊610036 , 四川省成都市金牛区迎宾路 6 号;电话:13980978239 。

　　N =RQH/ 102 η式中N — —输油泵运行工况轴功率, kW ;Q— —运行工况点的流量, m3 / s ;H — —运行工况点的扬程, m ;R— —输送介质单位体积重量, kg/ m3 ;η— —运行工况点的泵效率,                         。

　　可以求出运行在 b 点和 c 点泵的轴功率分别为:Nb  =RQ2 Hb /102 ηNc =RQ2   Hc/ 102  η二者之差为:ΔN =N b  -N c  =2RQ(Hb  =H c)/ 102 η由上式可知, 采用阀门控制流量时, 有ΔN 的功率被损耗掉了, 随着阀门不断关小, 损耗还要增加。而采用转速控制时, 由于流量 Q 与转速n 的一次方成正比, 扬程与转速的平方成正比, 轴功率与转速的立方成正比, 即功率与转速成三次方的关系下降。如果不是用关小阀门的方法, 而是将电机的转速降下来, 则在相同的运行流量下, 原来消耗在阀门上的功率就可以完全避免, 取得良好的节能效果, 这就是输油泵的变频节能原理。

　　二 、输油泵变频调速的基本原理输油泵变频调速的理论根据是交流电动机工作 原理中的转速关系:n =60  f (1 -s)/ p式中f — —输油泵电机的电源频率, H z ;p — —电机的极对数;s — —转差率。

　　由此可知, 均匀改变电动机定子绕组的电源频率 f , 就可以平滑地改变电动机的同步转速。电动会急剧下降, 受此影响, 输油泵调速高效区萎缩为P A1 A2 。显然, 若运行工况点已超出该区域, 则不宜采用调速来节能了。图中 H 0 B 为管路特性曲线, 则CB 段成为调速运行的高效区间。为简化计算, 认为 C 点位于曲线OA1 上, 因此, C 点和 A 1 点的效率在理论上是相等的, C 点就成为最小转速时水泵性能曲线高效区的左端点。

　　图 3 输油泵调速运行范围A 1 — 工频高效区左端点;A 2 — 工频高效区右端点;B — 设计最大工况点;H =K 1 ×Q 2 — 通过 A 1 点的相似工况抛物线;H =K 2×Q 2 — 通过 A 2 点的相似工况抛物线;H =H0 +S ×Q 2 — 管路特性曲线最小转速可以按以下式求得。

　　由于 C 点和 A1 点工况相似, 根据比例律有: (Qc/ Q1)=Hc/ H1C 点在曲线 H =H 0 +S ·Q 上有:Hc =H 0 +S · Q c其中, Hc 、Qc 为未知数, 解方程得:机转速降低, 轴功率就相应降低, 电动机输入功率也随之降低, 从而实现输油泵的变频调速节能。

　　Hc  =H 1  ×H0 /(H 1c101-S ·Q 1 )

　　21/ 2Q  =Q  ×[ H  /(H-S · Q 1)]三 、输油泵变频调速范围影响因素根据比例律有:nmin   =n0   ×[ H 0 /(H1  -S · Q 2)] 1/2由于运行工况的变化以及管路特性曲线, 与调速泵并列运行的定速泵等因素都会对调速的范围产 生一定的影响, 而超范围调速难以达到节能的目的, 因此, 变频调速不可能无限制调速。一般认为, 变频调速不宜低于额定转速的 50   , 最好处于 75     ～100  之间, 并应结合实际情况确定。

　　1、 输油泵工艺特点对调速范围的影响理论上, 输油泵调速高效区为通过高效区左右端点的两条相似工况抛物线的中间区域 OA1 A2 (见图 3)。实际上, 当输油泵转速过低时, 泵的效率将2、 定速泵对调速范围的影响在实际的大排量长输管道中, 往往是多台输油泵并联运行, 由于诸多原因, 不可能将所有输油泵全部调速, 所以一般采用调速泵、定速泵同时运行 。在这样的系统中, 应该注意确保调速泵与定速泵都能在高效区运行, 并实现系统最优。这样, 定速泵就对与之并联运行的调速泵的调速范围产生了较大的影响, 主要有以下两种情况。

　　(1)同型号输油泵一调一定并列运行时, 虽然调度灵活, 但由于无法兼顾调速泵与定速泵的高效工作区, 因此, 这种情况下调速运行的范围是很小的。

　　(2)不同型号输油泵一调一定并列运行时 , 如果能达到调速泵在额定转速时高效段右端点扬程与 定转速泵高效段左端点扬程相等, 则可以实现最大范围的调速运行, 但是此时调速泵与定速泵不能互换并列运行。

　　3、 电机效率对调速范围的影响在工况相似的情况下, 一般有 N ∝n3 , 因此随着转速的下降, 轴功率会急剧下降, 但是如果电机的输出功率过度偏移额定功率, 会使得电机效率下降过快, 最终影响到整个输油泵机组的效率。

　　4、 管路特性曲线对调速节能效果的影响虽然改变输油泵性能曲线是泵节能的主要方式, 但在不同的管路特性曲线中, 调速节能效果的差别却是十分明显的。在设计工况相同的三个输油系统里最大设计工况点均为 A 点, 均需将流量调为Qb , 输油泵型号相同, 但管路特性曲线却不同, 分别为, H =H 1  +S1  · Q2 (H 0   =H1 );H =H2   +S 2   · Q2 (H0   =H 2  , H 1   >H2 );H =S3   · Q2 (H 0   =H3   =0)

　　显然, 如果采用关阀调节, 三个系统满足流量Qb 的工况点均为B 点, 对应的轴功率为 Nb ;若采用调速运行, 则三个系统满足流量Qb 的工况点分别为C , D , E 点, 其对应的运行转速分别为 n1 , n2 , n3 , 相应的轴功率分别为 Nc , Nd , Ne 。由于 N ∝Q · H , 所以各点轴功率满足 Nb >N c >Nd >Ne 。

　　管路特性曲线对调速节能的影响由此可见, 在管路特性曲线为 H =H 0 +S · Q2 的系统中采用调速节能时, H 0 越小, 节能效果越好。反之, 当 H 0 大到一定程度时, 受电机效率下降和调速系统本身效率的影响, 采用变频调速可能并不节能, 甚至增加能源浪费。

　　综上所述, 输油泵机组变频调速节能技术是实现输油系统节能的有效技术途径, 它将阀门节流工况调节方式改为输油泵的变频工况调节方式, 具有调节方便的特点, 有效避免了输油泵出口阀的节流损失, 产生了巨大的功能效益, 同时还可以较好的减少输油泵机组的机械冲击、摩损和噪音, 延长输油泵机组的维护保养周期及使用寿命等。

　　应采用倒立安装。当介质温度较高采用倒立安装的主要原因是, 倒立安装可通过引压管上装有的冷凝器, 以防引压管内高温蒸汽的流向与冷凝水的流向相反而造成引压管阻塞;再者 , 执行机构膜片一般不耐高温, 若高温蒸汽介质直接通过引压管作用于膜片, 膜片的力学性能将会下降。

　　五 、结论波纹管平衡型自力式压差调节阀采用有效的压 力平衡措施, 主要用于对管道系统中的介质压力进行自动调节, 并输出恒定的压力值, 以防止管道内介质压力的波动而造成管道及阀门的损坏, 保证管道系统的安全运行。由波纹管作为平衡元件平衡阀芯力, 使调节阀反应灵敏、控制精度高 、允许压差大。

　　波纹管平衡型自力式压差调节阀能依靠介质自 身的压力变化达到自动调节和稳定压力的目的, 适用于蒸汽、非腐蚀性气体及低粘度液体的场合, 特别适用于城市供热、供暖及无外界供电 、供气等对调节品质要求不是很高的控制压力的场合。

　　参  考  文  献

  1,周国熙:调节阀使用与维修, 化学工业出版社(北京), 1997 。

　2, 韩吉田  裘烈钧  李广文等:新型低压自力式压力调节器的研制, 山东机械, 1994(2)。

　3, 侯鹏倩:自力式调节阀及其应用, 石油化工自动化, 2005(1)。

　4,   张永德:过程控制装置, 化学工业出版社(北京), 2000 。