變頻調節技術在原油管道輸送中的應用分析

譚 磊，劉寶玉，楊云鵬，馬洪建

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001）

作為能源消耗僅次于美國和俄羅斯的超級大國，節能已成為中國能源可持續發展道路上的焦點問題。而作為一個高速發展中的國家，能耗與環境之間的矛盾也日益突出。石油需求的對外依存也成為制約中國經濟發展的重要問題。如何能節約每一份能量在當今社會具有舉足輕重的意義。在工業生產過程中，降低能耗，提高能量利用效率，使用先進技術及設備是有效的節能手段。

在輸油管道的生產管理過程中,輸量調節是經常用到的，如一年中季節變化、首站來油量的不均衡、末站輸轉油品的不暢通、管道或設備故障等原因,都可能引起輸量變化。常用用于數量調節的方法有：

（1）車削輸油泵葉輪調節

（2）拆卸多級離心泵葉輪級數調節

（3）大小泵匹配調節

（4）出口節流調節

以上調節方法均屬于調節流量達到調節目的。此外還可以通過改變離心泵的轉速達到調節輸量的目的，即變頻調節技術[1]。

在我國電機系統能耗效率非常低，采用變頻技術的電機僅占10%。油田儲運系統大量的輸油泵仍未采用變頻輸油技術。隨著油田開發進入后期，石油產量逐漸減少，油田儲運系統載荷逐年降低，造成儲運系統能耗逐年遞增，系統效率逐年下降。這種趨勢在油田儲運系統中有明顯體現。每座油庫每年因電能消耗造成的經濟損失達到上百萬元。但是由于儲運系統的特殊狀況，不可能只通過更換輸油泵或電機來實現線路與泵之間的特性匹配，因為如果管道輸量的降低，相同距離輸送后致使管道內的油溫降低，管道一旦因特殊原因而致使停輸后再啟動的困難會更加嚴重，故要求必須對原油輸送動力系統配備一定余量揚程的泵設施，因此很難從改變設備選型的角度來滿足不同運行工況下的泵管特性匹配。而如果通過變頻調速方式，就能達到在各種運行工況下的優化運行，提高儲運輸送系統的效率，達到節能減排的目的[2]。

1 變頻調節技術介紹

1.1 變頻調速技術簡述

目前常用于輸油管道改變離心泵機組轉速的方法主要有在泵與固定轉速的電動機間加液力耦合聯軸器驅動，以及在電動機供電線路中安裝變頻器，通過改變電源頻率改變電動機轉速兩種方法。液力耦合聯軸器是安裝在電動機與泵之間的一種通過液體傳遞轉矩的傳動部件。通過改變進入聯軸器的油量，改變電動機與泵之間的耦合程度達到調節泵轉速的目的。

變頻器是串聯在電動機供電回路中，可實現穩定輸出電壓，而頻率可在一定范圍內調節的電氣裝置。交流變頻調速是隨著計算機工業發展而發展起來的一門新興而又成熟的技術，由于它與其他變速方法相比，具有良好的應用特性和顯著地節能效果，所以在生產中的已廣泛的應用[1]。

1.2 變頻器變頻調速原理

變頻器變頻調速的原理可由公式（1）給出：

式中: n ——電動機轉速，r/min；

f ——電源頻率，Hz；

p ——電動機磁極個數；

s ——轉差率。

改變電機的供電電源頻率即可達到改變電機轉速的目的，這種方法就是變頻器變頻調節技術[3]。

1.3 變頻調速技術的節能原理

由離心泵的特性可知,在管路特性曲線不變的情況下,改變離心泵轉速后,其性能參數的改變由式(2)確定[4]。

式中：Q、H、N —離心泵轉速為n時的流量、揚程、功率;

Q1、H1、N1—離心泵轉速改變為n1時的流量、揚程、功率。

可知流量Q與轉速n的成正比,揚程H與轉速n的平方成正比,軸功率N與轉速n的立方成正比,即功率與轉速成三次方的關系下降。如果將電機的轉速降下來,則在相同的運行流量下,原來消耗在節流上的功率就可以完全避免,取得良好的節能效果,這就是輸油泵的變頻節能原理[5]。

2 計算實例分析

2.1 原油物性計算

原油物性參數的計算主要包括原油密度計算與原油年度計算兩部分，其具體計算方法如下：

2.1.1 原油密度計算

在已知原油溫度為 20 ℃時的原油密度 的情況下，可由以下方法計算原油在其他溫度下的密度。

2.1.2 原油粘度計算

原油粘度的計算主要通過原油的粘溫關系式來確定，其粘溫關系式主要有雙對數形式的粘溫關系式與指數形式的粘溫關系式，兩種關系式均能計算出原油在任意溫度下相對應的粘度值[1]。

①雙對數形式粘溫關系式計算方法:

式中：ν —溫度為t ℃時，原油的運動粘度，m2/s；

a，b —待定常數，可根據已知油品在兩個溫度下的粘度帶入求得。

②指數形式粘溫關系式計算方法

式中：νt、ν0、—分別為溫度為t ℃時與溫度為t0℃時原油的運動粘度，

m2/s；

u —粘溫指數，可根據已知油品在兩個溫度下的粘度帶入求得。

2.2 輸油管道泵站現行參數計算

以勝利油田某等溫輸油管道泵站冬季運行情況為例，管道任務輸量為 500萬 t/a；設計管徑為DN450；最高輸送壓力為8 MPa；該管道設有三座泵站，每座泵站配置有3臺DKS750-550型離心泵，一臺為備用泵，采用兩泵并聯運行的輸送方式；管道設計輸量為泵站設計揚程為Hb= 1 068m，泵站通過節流調節的方式滿足任務輸量的要求；管道輸送油品密度為粘管道周圍平均地溫為1。

2.2.1 泵站供能分析

式中：hb—離心泵揚程，m；

Q —離心泵輸量，m3/s。

由于泵站采用兩泵并聯運行方式，故泵站揚程

Hb為：

泵站供入的有效功率為：

三座泵站總供入有效功率為：

2.2.2 管路系統耗能分析

泵站供入能量主要通過管路沿程摩阻損失消耗，通過管路相關參數與相關沿程摩阻計算公式，可計算出管路壓降，以確定管路系統耗能值，在此，選用列賓宗公式對該管道進行沿程摩阻分析：

式中：Hf—管道的沿程阻力損失，m；

Q —管道的輸量，m3/s；

ν —油品的運動粘度，m2/s；

d —管道的直徑，m；

l —管道的計算長度，m；

β，m —與流態有關的常數。

根據對原油輸送時流態的分析，取m值為0.25通過計算得出管路壓降為：

式中：Hg—系統管路壓降，m；

Hf—系統管路沿程摩阻損失，m；

ΔZ —系統終、起點位差，m；

Hz—系統終點余壓，m。

該管路系統通過節流調節方式到達管道任務輸量后，其有效能損失為：

2.3 變頻調節技術及經濟分析

2.3.1 變頻調節技術

如果使用變速調節將輸量調節至任務輸量Q0=0.1914 m3/s，終點余壓59m。由比例定律得將流量從0.203 m3/s調至0.1914 m3/s時的轉速為：

調速后的泵站揚程Hb1為:

泵站有用功率 ：

轉速為 2834=n r/min

略大于任務輸量，符合要求，無節流。

2.3.2 經濟分析

通過計算進行經濟分析,如果泵的效率為68%，則節流造成的軸功率損失應為：

N/0.68=587/0.68=863 kW。

則每年運行350天造成的電能經濟損失為:

￥=863×24×0.5×350=351萬元人民幣。

可見如果使用變頻節能技術則可以完全節省351萬人民幣，經濟效益顯著。

3 結 論

在儲運系統中，由于輸油管道輸油量達不到設計要求，致使泵長期處在大馬拉小車狀態下運行，導致能耗增加，本文通過以上分析得到以下結論：

（1）變頻調速節能技術是實現輸油系統節能的有效技術途徑,它將閥門節流工況調節方式改為輸油泵的變頻工況調節方式,具有調節方便，響應速度快，自動化程度高的特點,有效避免了輸油泵出口閥的節流損失,產生了巨大的功能效益。

（2）變頻調速節能技術可以使用工單位節省約11%的能源損耗，可獲得較高的經濟收益。

［1］王光然 油氣管道輸送[M].中國石油大學出版社，2005.

［2］陳殿軍 輸油泵機組變頻調速節能技術的研究[J]．大慶石油學院工程碩士學位論文，2006:5-9.

［3］張國權 輸油泵變頻節能技術分析與應用[J]．油氣儲運，2008,27（3）：54.

［4］姚化偉 變頻泵流量調節在輸油系統中應用分析[J]．當代化工，2011，40（5）：479.

［5］尚立光 輸油泵變頻節能效果分析[J]．電子設計工程，2011,19（5）60.

［6］錢錫俊. 泵和壓縮機[M].北京：中國石油大學出版社，2007.