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输油泵变频节能效果分析

北极星电力网技术频道    作者:尚立光,王宁,程红伟,李晓娜,李红   2012/3/26 17:32:56   

 关键词:  变频节能 电动机 输油泵

变频调速技术是基于交一直一交电源变换技术.它是集电力电子、微电脑控制等技术于一身的速技术因其显著的节电效益、较高的调速精度、较宽的调速范围、完善的保护功能、易综合性电气产品。变频调于实现自动控制、运行安全可靠、安装使用维护简单等优点已被广泛应用于各行各业,成为世界上公认的节电新技术之一。坪桥集中处理站是坪桥一东营输油管线的首站,坪营输油管线建于1996年,总长度为33.4 km,管径为4159x6 mm。日均输送原油l 200 m3。首站外输原油。夏季采取不加热输送,出站油温为39℃左右,泵出口压力为4.5~5.0 Mpa;冬季采取换热器加热输送方式。出站油温为55℃左右,泵出El压力为5.0~5.8 Mpa。目前配备的两台外输泵,型号为5DY一71/5,2001年投入使用,其中l#泵可进行变频调节。

1机泵变频原理

交流电动机的同步转速表达式为:

n=60f(1-s)/p (1)

式(1)中,n为异步电动机的转速,为电源的频率,s为电动机转差率,P为电动机极对数。

由上式可知,电动机的转速n与电源频率.厂成正比,只要改变频率厂即可改变电动机的转速,当频率.厂在O~50 Hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽11.-21。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的,变频器是把工频电源变换成某种频率的交流电源以实现电机的变速运行,是一种理想的高效率、高性能的调速设备。

变频器主要由控制电路、整流电路、直流中间电路、逆变电路等相应电路组成。其中控制电路完成对主电路的控制.整流电路将交流电变换成直流电,直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波,逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说。有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。

2变频装置节能原理

2.1变频节能

有流体力学知识可知:

P=-Q×H (2)

式(2)中,P为功率,Q为流量,H为压力。

Q∝N,H∝N2 (3)

P∝N3 (4)

由式(4)可知,泵的功率与转速N3成正比,如果泵的效率一定,当要求调节流量下降时,转速N如果成比例地下降。此时轴输出功率P就会成立方关系下降,即泵电机的耗电功率与转速近似成立方关系的下降131。理论上对于一台160 kW的电机,当转速为额定转速的4/5时,其理论功率为82.0 kW,省电48.8%。

2.2功率因数补偿节能

有公式

H=Sxcos∮ Q=Sxsin∮ (5)

式(5)中,H为有功功率,Q为无功功率,s为视在功率,cos∮伪功率因数。

无功功率不仅增加线损和设备的发热。更主要的是功率因数的降低导致有功功率的降低。大量的无功电能消耗在线路当中,设备使用效率低下,浪费严重。由公式(5)可知,功率因数cos∮越大,有功功率日越大,对于普通异步电动机功率因数在0.6—0.7之间,使用变频调速装置后,由于变频器内部滤波电容的作用,cos∮=1.0。从而减少无功损耗,增加了电网的有功功率。

2.3软启动节能

由于普通电机为直接启动或Y/D启动。起动电流为4—7倍额定电流。这样会给机电设备和供电电网造成严重的冲击,而且还会对电网容量要求过高,启动时产生的大电流和震动对泵体和阀门的损害极大.对设备、管路的使用寿命极为不利。采用变频器运转,随着电机的加速相应提高频率和电压,起动电流被限制在150%额定电流以下(根据机种不同.为125%~200%),传动可以平滑地起动(起动时间变长)。起动电流为额定电流的1.2一1.5倍。起动转矩为70%一120%额定转矩;对于带有转矩自动增强功能的变频器,起动转矩为100%以上,可以带全负载起动,减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求,延长了设备和阀门的使用寿命,节省了设备的维护费用15-61。

2.4减小局部水头损失节能

一般使用泵的额定流量和扬程.通常都超过实际需要的流量和扬程,又因为工艺要求需要在运行中流量。目前,采用阀门来调节流量的调节方式较为普遍,虽然方法简单,但实际上是通过人为增加局部阻力的办法达到调节的目的。这种节流调节方法浪费大量电能.而且使泵本身在低效率点工作.回收这部分电能损耗会收到很大的节能效果。

3引进变频装置的必要性

3.1机泵运行时间长

为完成全年39万吨原油外输任务.坪桥首站外输泵年运转时间约为8 400 h,因此泵效每提高1%,年节约电量约为1.344万愿,节能效益相当可观。因受沿河湾一阳山输油管线的限制。坪桥一东营输油有时采取“泵一泵”输油流程,有时采取“泵一罐一泵”输油流程,同时考虑到坪桥一东营管线的承压能力及谭家营一东营输油管线的影响,坪桥首站外输压力波动范围为3.1—6.0 MPa。排量波动范围为45娟7 m3/h,首站两台柱塞式外输泵型号为5DY-71,5,理论排量为71 m3,额定工作压力为5.0 MPa。流量的变化幅度为5.6%一36.6%,此时,若不采取变频调速原理进行调节,为了满足外输排量和管压的要求主要通过回流阀门进行调节。这样就因节流原因造成能量耗浪费。

3.3理论计算节电量

通过理论计算节电量来论证选择安装变频器的机泵是否经济。对计划安装变频器的机泵进行多种处理量时的理论节电量的计算(考虑泵共振频率除外)。经过计算得到机泵运行效率最大处理量时的节电率为:l#外输泵在外输量在1 500 m3/d时节电率可达23.7%,机泵效率提高10%左右,说明在该机泵上使用变频调速器是可行的。

4效益分析

4.1运行参数

为评价变频装置的经济效益,综合分析两台泵由07年8月到08年5月的运行参数。分别计算出各自平均排量和压力下的机泵效率.机泵效率计算结果如表l所示。

表机泵效率计算结果

Tab.1 Computational results of pump efficiency

由表1可见,两台同型号的泵,在工作环境相同的情况下增加变频装置后,电机输入功率减小25.08 kW,泵效提高了9.9%。节能效果明显。

4.2节能效果评价

目前坪桥集中处理站日平均外输原油为l 200 m3左右。如果只使用l#变频泵,流量为53.5 m3/h,日运转时间22.4 h,一年按360天计算,则年耗电量为。22.4x58.075x360---46.83x104 kW·h如果只使用2#变频泵,流量为55.3 m3/h,日运转时间为21.7 h.一年按360天计算.则年耗电量为:21.7x83.155x360=-64.96x104 kW·h两者相比较,一年完成相同输出量,电费按工业用电0.45元,kW计算,可节约成本:(64.96x104-46.83x104】>cO.45=8.15x104元通过比较可以发现如果全部采用变频装置,一年可节省费用8.15xlo.元。目前改变频装置只要稍加改造即可控制两台外输泵中任意一台。

另外,该站还有两台型号为5ZB一12/42的供水泵,其中l#泵泵效为28.17%,2#泵泵效为28.88%。日平均供水量850 m3,泵出口压力4.5 MPa。若增加变频装置把泵效提高到45%,则年节约电量18.13x104 kW·h。节约成本8.15x104元,而一套变频装置的费用大约为5万元,投用当年即节约成本3.15万元。

5结论

本文结合水力学基本知识、变频节能原理,首先对两台外输泵进行参数采集.然后进行效率分析.通过两台同型号、同步投用的柱塞泵的实际运行工况比较得出以下结论:

1)l撑外输泵增加变频装置后效率较2荐泵提高了9.9%,泵体噪音减小很多,维修保养次数减少。但其实际排量和压力均小于设计值,泵效远低于国内平均输油泵效64.9%.可根据管压适当调整频率,使泵在接近额定工况下工作提高泵效。

2)2#外输泵柱塞泵运行效率较低,运行效率只有28.1l%。实际排量效于设计排量,目前靠回流和出口阀门控制排量,增加变频装置来调节流量节能效果明显。

3)两台供水柱塞泵平均泵效只有28.53%,低于国内柱塞台外输泵中任意一台。式注水泵平均泵效72.1%,目前其在额定排量和压力下工作,但泵体噪音较大,启动负荷大,可增加变频装置改善其工作性能提高工作效率。

参考文献:

【l】蒋杨贵.输油技术读本[MI.西安:石油大学出版社,2003.

【2】赵玉隼,王洁.大庆老油田节能降耗技术【J1.石油规划设计,2000,ll(3):4—7.

来源:《电子设计工程)2011年第5期
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