魯爾泵工頻運行與變頻運行在輸油過程中的能耗分析研究

＊喬煥芳 馬仲平

（1.陜西延長石油（集團）管道運輸公司 陜西 716000）2.安信證券股份有限公司 陜西 710000）

1.在線分析的魯爾泵運行背景

延長石油管道運輸公司延-西成品油管線是延長石油第一條走出陜北、穿越關中，連接產銷兩地的地下能源大動脈。該管線對于保證以西安為中心的關中城市燃料供應，促進關中率先發展有著積極意義。該管線投運后，延-西線全線設計年輸油量500萬噸，每年大約可節省運輸費用5.98億元，同時也改變延煉-西安單一的公鐵路運輸方式，不僅減少了運輸成本以及油品損耗，更重要的是可以有效的保證西安市場成品油的供應，具有舉足輕重的作用。

惠家河成品油首站隸屬于延安市黃陵縣惠家河鎮，坐落于延煉成品油庫區，是延-西成品油管線的輸油首站，也是目前管道運輸公司場站運行壓力最高、電機功率最大、泵流量最大的場站，場站正常運行壓力6.5～8.5MPa，主輸泵額定流量：450m3/h，全站共有魯爾泵3臺，1臺10kV變3.3kV變頻控制，2臺10kV軟啟控制，設計一備兩用，完成該條管線的油品輸送任務。

2.魯爾泵工頻與變頻的性能分析

(1)變頻泵性能分析

變頻泵在安全運行及操作過程中的優缺點分析：

優點主要體現在以下幾個方面：①變頻器電機采用可平滑啟動方式，隨著電機的加速相應提高頻率和電壓，逐漸增加輸出功率。魯爾泵輸油能耗主要體現在電能耗上，在未達到滿載情況的可調節范圍內，功率可調能合理降低用電量，很大程度上降低了輸油能耗；②在魯爾泵啟泵過程中，啟動電流為額定電流的120%～150%，啟動轉矩為額定轉矩的70%～120%，減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求，同時減少了泵在啟動時的軸向力，可把對泵機械密封的損害降到最低；③變頻泵可以使用較低的泵轉速，更適用于小輸量輸油，同時模塊化設計，可靠性高，使用壽命長，維護方便；④變頻器調速可以精確控制頻率和加減速的時間，對整個管道系統可實現較準確的過程控制，避免出現抽空或超壓等引起的停泵問題；⑤在安全操作上，變頻泵運行壓力平穩，泵出口壓力在6.4～8.5MPa，且噪聲小，自動化控制程度較高。

變頻泵雖然優點很多，但在運行過程中仍不同程度上暴露出些許缺點：①變頻泵的一次性投資比較高，雖然模塊化的設計便于維護，但是系統較為復雜，一旦出現故障需要返廠維修，維修時間周期比較長；②場站配備一臺變頻泵，由于單泵功率及慣性力矩的限制，無法通過串并聯有效降低水擊現象的影響時間。

(2)工頻軟啟泵性能分析

工頻泵在安全運行及操作過程中的優缺點分析：

工頻泵的優點：工頻泵工藝簡單，操作方便，使用調節閥控制流量，響應時間較快。

缺點如下：①啟泵時，啟動電流為額定電流的6～7倍，對設備和供電電網造成較大沖擊，對電網容量要求高；②啟動時產生的大電流和震動將產生機械、電氣上的沖擊，對供電設備和泵的損害較大，影響設備使用壽命。③工頻軟啟泵運行壓力在8.5～10.6MPa，由調節閥開度節流控制流量，因此輸量越小壓力越大，瞬間啟泵壓力可達11.6MPa接近12MPa，對管線的沖擊比較大。

(3)魯爾泵的主要參數及性能曲線

①主要參數如下：魯爾泵性能參數：類型：離心泵；型號：SMI325/01*9；額定流量：450m3/h；工頻（軟起泵）額定電壓：10kV；額定功率：2000kW；額定電流：131A；變頻泵額定電壓：3.3kV；額定功率：2000kW；額定電流：395A。

②性能曲線圖如圖1、圖2。由此可見，參照魯爾泵的設計及額定參數，結合泵的特性曲線分析，泵的功率（P）、效率（?）、揚程（H）以及汽蝕余量（NPSH）參數都跟流量（Q）成比例，因此我們接下來以流量為變量，分析泵的各項參數。

圖1 Q-P、Q-H、Q-?、Q-NPSH特性曲線圖

圖2 流量-揚程曲線圖

由圖1Q-H曲線可以看出，在額定揚程1300m時，泵效率最高時的排量為450m3/h，由圖2Q-?曲線可以看出，輸油時泵的經濟運行排量范圍（泵效率最高點前后7%范圍對應的排量）為420～640m3/h。

表2 惠家河成品油首站2019年生產運行數據年統計表

由圖2Q-P曲線趨勢可以看出，功率與流量成正比例關系，針對變頻泵，頻率越高，流量越大，功率越大，直至達到工頻；而針對工頻軟啟泵，結合運行工藝，調節流量主要依靠閥門強制節流，因此不管流量多大，功率都基本是一致的，更適用于大排量輸油。

3.魯爾泵工頻與變頻的運行數據分析

圖3 2019年輸油量柱狀圖

輸油泵除去設備自身維檢修費用，最主要的能耗就是電耗量，能量利用率是對管道運行能耗評價的重要參數，自2009年管線投運以來，經過13年多的生產運行，我們對三臺主輸泵的運行能耗進行了統計和綜合分析，管線全長設計輸量500×104t/a（柴汽比1:0.7，柴油：294.1×104t/a，汽油：205.91×104t/a），最大輸量575萬噸/年，最小輸量260萬噸/年，變頻泵運行時能耗最高達到0.0194千瓦時/ 噸·千米，工頻泵最高達到0.0323千瓦時/噸·千米。這樣的話，按照最大輸量575萬千瓦時/年計算，變頻泵全線輸油需要消耗電能：2242.155萬千瓦時/年，工頻泵全線輸油需要消耗電能：3733.0725萬千瓦時/年，兩者相差約1491萬千瓦時/千瓦時（工業用電單價：0.6元/千瓦時），變頻泵比工頻泵每年節約費用高達894.6萬元；按照最小輸量260萬噸/年計算，變頻泵全線輸油需要消耗電能：1013.844萬千瓦時/年，工頻泵全線輸油需要消耗電能：1687.998萬千瓦時/年，兩者相差約674萬千瓦時/年（工業用電單價：0.6元/千瓦時），在小流量輸油模式下，變頻泵比工頻泵每年節約費用404.4萬元；近幾年隨著年輸油任務量的提高，僅從泵的運行能耗上可以看出，合理匹配變頻泵與軟啟泵的運行模式，對節能降耗起著極其重要的作用。

以2019年運行數據為例，以圖表模式簡單分析如下：

圖4 2019年運行時間統計圖

圖5 2019年能耗統計表

圖6 2009-2020年能耗統計表

4.魯爾泵變頻與工頻節能降耗運行措施建議

針對魯爾泵變頻與工頻控制方式的優缺點，結合性能曲線以及日常運行參數、管線運行壓力承受范圍等情況綜合對比，流量在280～450m3/h范圍內，推薦使用變頻泵輸油，操作運行平穩，噪聲小，更有利于職工身心健康；流量在 450～575m3/h（輸油下游減壓閥影響）范圍內，達到泵效率最高點，功率也基本達到最高功率，節流閥門基本處于全開狀態，壓力沖擊小，管線運行壓力相對低，便于工頻軟啟泵運行；輸量大于575m3/h，小于最大輸量790m3/h（兄弟單位喂油泵壓力及線路運行壓力影響）范圍內，推薦使用兩臺泵并聯運行模式，根據三臺魯爾泵控制模式，優先采用兩臺軟啟泵并聯，控制模式一致，操作簡單，當然也可以采用一臺軟啟泵并聯一臺變頻泵完成輸油任務。

5.結束語

總而言之，在石油化工長輸管道日常生產運行中對輸油泵機組不斷摸索、探討、積累分析數據，在提高設備利用率的情況下，掌握不同控制方式下的多臺泵多模式匹配，科學管理，合理達到經濟輸油的目的。