武漢成品油穿江管道中變頻調速系統應用的探討

謝洪波 高九陽 中石化銷售有限公司華中分公司，武漢 430022

武漢成品油穿江管道中變頻調速系統應用的探討

謝洪波 高九陽 中石化銷售有限公司華中分公司，武漢 430022

本文介紹了武漢成品油穿江管道輸送的特點，分析了該段管道在作業時系統流量和揚程的變化情況，對變頻調速系統在該段管道中的應用進行了探討，并對其節能效果及提高輸油泵使用壽命方面進行了分析，為武漢成品油穿江管道運行的優化提供了一定的參考。

成品油管道；輸油泵；變頻調速；節能降耗

oil pipeline; fuel pump; WVF Systems; Energy saving

前言

成品油管道輸送的方式目前已被世界各國廣泛的接受，由于其高效率、易于優化管理、降低運輸損耗和風險等其他運輸方式所不具有的明顯優勢，已被大量地應用于廣大內陸成品油的調配輸送[1]。輸油泵機組被視為成品油管道的心臟，其在管道運行時具有舉足輕重的作用。目前，在我國成品油管道中，輸油泵大都處于電動機驅動恒速運轉的狀態，其能耗是恒定不變的，若使其耗電量實現隨負荷的大小而變化，則將產生顯著的節能效果[2]。現代電力電子技術、交流調速技術的發展使得交流電動機變頻調速在頻率范圍、動態響應、精度要求和使用效果等方面發生了巨大的飛躍。本文結合實際情況，對變頻調速系統在我公司武漢成品油穿江管道中的應用進行了一定的探討，為武漢成品油穿江管道的優化運行提供了一定的參考。

1. 武漢成品油穿江管道的特點

武漢成品油管道工程設計輸量為350萬噸/年。管道全線長18km，設計壓力為4. 0MPa。管道采用“一泵到底”的常溫密閉順序輸送工藝，輸送0#柴油，90#、93#、97#組分汽油兩大類四個牌號的油品。全線共設置大莊首站和武漢末站共2座輸油工藝站場，其成品油來源主要依靠武漢石化煉油廠供給。

武漢成品油穿江管道大莊油庫首站在設計選取管道輸油泵時，選取的電機功率是令其輸送量大于實際負荷，預留至廣水方向的輸送能力。它所帶來的新問題是當給油泵流量不足時，輸油泵的運行會出現無功輸送，出現空抽或泵空狀態，伴隨泵空還會產生氣蝕、氣鎖等現象，而氣蝕、氣鎖又是導致泵裝置、管組及閥門等設備損壞的主要原因。另外，由于過度的不間斷運行，機械設備的損耗也相應上升，造成傳統輸油成本高，噪音大，運行可靠性低。同時，對于武漢—廣水—信陽段成品油管線投入使用之后，該段管線會成為一條擁有多個注入點和分輸點的成品油管道，而無論油品的輸入還是輸出，均將造成管線作業時流量和摩阻的變化。

2. 作業時管道流量及揚程變化情況

成品油管輸系統中，要求泵機組適應不同的工況要求就要在較寬泛的流量、揚程下工作。輸油作業時，管道的摩阻都會隨著油品品種和流量的變化以及各種油品在管道中長度的變化（各個混油界面位置的推移）而變化，并且這種變化很大。因此只要管道不存在翻越點，所需泵的揚程就會隨著這些變化而不同。下面以武漢成品油管道大莊首站—武漢油庫末站為例，舉例說明成品油管道的流量、摩阻(泵的流量、揚程)的變化情況。

2.1 直輸方式：

武漢石化給油泵的流量由煉廠的給油泵房負責控制，其給油泵的流量因油品的不同和油罐的液位高度不同其管輸的流量是個變化值。汽油給油泵的流量為400立方/小時且只能運行一臺進行供給，柴油給油泵的流量為300立方/小時，兩臺并聯運行供給，導致武漢石化至大莊首站管道內摩阻發生變化從而造成大莊首站主輸泵的揚程（進口壓力）的變化。例如：當管輸油品為汽油時，給油泵的流量為350立方/小時，大莊首站主輸泵前的壓力為0.2Mpa；當管輸油品為柴油時，兩臺給油泵并聯運行給油流量為650立方/小時，到大莊首站泵前的壓力為0.6Mpa。也就是說當管輸方式為直輸方式時，大莊首站泵前的流量和壓力是個變化值導致首站出站壓力和流量也在不停地變化。為了保證輸油泵設備的正常運行，當首站控制其出站流量時其出站壓力和末站的進站壓力隨之變化；反之亦然，如果大莊首站控制其出站壓力時，隨著給油量的變化其出站流量也是隨之變化。在日常的管輸情況下，當管輸品種為汽油時，大莊首站主輸泵前壓力為0.1Mpa，泵出口調節閥僅能開啟20%的開度出站流量為380立方/小時，泵出口壓力2.2MP，出站壓力僅1.55MP。當管輸品種為柴油時，大莊首站主輸泵前壓力為0.2MP，泵出口調節閥開度僅有24%，流量為550立方/小時，泵出口壓力2.2MP，出站壓力1.6MP。

2.2 分輸方式：

當管輸油品由大莊油庫油罐通過主輸泵輸往末站時，因泵站距離庫區較近且進油管線口徑滿足泵入口的流量需求，在油品管輸時，泵的入口流量達650m3以上，泵出口調節閥開度基本處于全開，泵出口壓力為2.2MP，出站壓力為1.95MP，基本消除截流現象。但如果考慮到該管線延長后其他油庫數量的增加，其情況將更加復雜。

3. 變頻調速系統在武漢成品油穿江管道中應用的分析

圖1 變頻調速泵的特性曲線Fig.1 The characteristic curve of the variable speed pump

對于武漢成品油穿江管道，輸油泵需滿足的主要是沿程管路的摩阻，而該管路系統中高度的提升及靜壓升高所需的揚程相對而言較少，此時，若通過調節閥來調節流速，不僅會大大增加管路的摩擦阻力，而且也會降低壓力，通過以上分析可知，采用一般普通泵機組及采用調節閥調節流量很難滿足節能要求。

近年來，市場上直接針對油泵的節能技術主要有兩大類：一是開發不同類型的油泵節能電機，如超高轉差率電動機、三相永磁同步電機、高啟動轉矩雙定子結構電機和電磁調速電機等。二是使用節能配電箱，其中包括定子繞組y-δ轉換調壓和電容器動態無功補償及靜態無功補償等。但由于資金投入太大及電網諧波污染嚴重等原因，無法大面積長期的使用。對于采用變頻調速控制，則可以改變油泵長期處于低效做功的狀態，使其工作方式與油泵實際負荷相匹配，保證每次都抽油，減少低效甚至無效抽取，從而降低電費開支，減少維護成本，提高運行效率。

3.1 變頻調速系統的特性

變頻調速技術通過改變電動機定子電源頻率來改變電動機轉速，相應地改變機泵的轉速和工況，使其流量與揚程適應管網介質流量的變化[3]。

如下圖1所示，n為泵的特性曲線，A為管路的特性曲線，H0為管網末端的服務壓力，H'為泵出口壓力。當用水量達到最大(Qmax)時，水泵全速運轉，出口閥門全開，達到了滿負荷運行，泵的特性曲線n0和管網特性曲線A0匯交于b點，則其工況點為b，此時，泵的出口壓力為H'，未端服務壓力剛好為H0。當流量從Qmax減少到Q1的過程中，泵全速運轉，靠泵出口閥門關小控制；此時，管網阻力特性曲線變陡(A2)，泵的工況點由b上滑到c點，而管網所需的揚程將由b點下滑到d點，這樣，c點和d點揚程的差值即為全速泵的能量浪費。

泵變速運轉，當流量由Qmax下降到Q1時，泵降低轉數，泵特性曲線變為n1，其工況點為d，正好落在管路特性曲線A0上，這樣可使泵工作點始終沿A0滑動。管網的服務壓力H0恒定不變，其揚程與系統阻力相適應，沒有能量的浪費，從而達到了調速節能的目的。

3.2 變頻調速系統在管道輸油作業時節能效果的研究

輸油泵是成品油管道耗能大戶，對于武漢成品油穿江管道大莊油庫首站，目前其用電量約占油庫總用電量的80%，特別是國產輸油泵，其總體效率很低，據調查一般在60%左右，過剩的輸油能力令輸油泵的無功輸送時間增加，造成油庫的電費成本居高不下，能源浪費十分嚴重。

對于輸油泵，按流體力學的基本理論，當其轉速從額定轉速n變為n1時，流量Q，揚程H及軸功率P有如下的變化關系：

其中，Q，H，P與Q1，H1， P1分別為輸油泵額定轉速n及降速至n1時的輸油泵流量、揚程和輸油泵軸功率。

假設某次作業需要輸送油品量為V，轉速為n及n1時完成作業所需時間分別為t及t1，依據水力學基本公式可知：

依據上式可知：

通過變頻調速系統減速后完成輸送任務需時間：11

設對于轉速為n和n1時，完成輸送任務所需功耗分別為W、W1，則：

采用變頻調速系統降速后，所降低的功耗可以表示為：

由上式可知，在滿足流量要求時，通過變頻調速系統降低輸油泵轉速，便可得到節能效果。當轉速降低至額定轉速的一半時，通過采用變頻調速系統所降低的功耗能達到采用額定轉速所耗功的75%，即采用變頻調速系統完成同樣作業時所需功耗僅為采用額定轉速時所需功耗的25%，節能效果非常明顯。

3.3 變頻調速系統對成品油管輸系統其他作用的分析

對于成品油管輸系統，變頻調速系統能對主輸泵機組進行軟啟動和軟停止，減少啟動和停止過程中對泵組的沖擊，因此能夠提高泵組的疲勞壽命，延長輸油泵的保養和維護周期，采用變頻系統后與未采用變頻系統相比，輸油泵機組的泵軸，軸承的磨損程度均相對減少。通過查閱相關資料可知，變頻前和變頻后最高溫度差可達到30度左右，由此大大延長了輸油泵的部件及機械密封等易耗件的壽命，在取得明顯的經濟效益的同時，也提高了泵組正常運行的時間，對完成成品油調度任務提供了一定的保障，具有一定的社會效益。

4. 結論

采用變頻調速系統能使武漢成品油穿江管道的主輸泵工作點根據設定值和管路摩阻的情況而自動地調節轉速，適應系統的需要，節能效果明顯。

同時，變頻調速系統能夠實現對有效的提高機組泵部件及易耗件的使用壽命，能對輸油作業的安全運行提供一定的保障。

綜上所述，變頻調速系統在武漢成品油輸油管道中應用能取得一定經濟和社會效益，是一項值得推廣的實用技術。

[1]李征西，徐思文.油品儲運設計手冊[M].北京: 石油工業出版社.1997:59-75

[2]曾多禮，等：成品油管道輸送技術[M].北京：石油工業出版社.2002

[3]錢宏琦，陳海虹，周潔，等.離心水泵變頻調速節能機理分析[J].貴州大學學報.2010,27(5):44-46

The Study about the Application of WVF Systems in Wuhan Oil Pipeline

XIE Hong-bo GAO Jiu-yang (Sinopec sales Co., LTD, central China branch Wuhan 430022)

This paper introduced the characteristics of the Wuhan oil pipeline, and the changes of the flow and lift about the pipe-network were analyzed when working. The effect of energy saving and improve service life about the application of WVF system in Wuhan oil pipeline were analyzed, the conclusions in this paper will enrich the under-standing of optimization operation for Wuhan oil pipeline.

TE832

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.18.048

謝洪波（1972- ），男，工程師，廣西玉林人，主要從事油氣儲運設備及安全方面工作。