王 建， 廖興萬， 余建平， 葉 茂

(國家管網(wǎng)集團(tuán)華南公司，廣東 廣州 510000)

0 引 言

工業(yè)是能源消耗的主要行業(yè)，2018年工業(yè)能耗占全國總能耗的67%[1]。根據(jù)2014年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，工業(yè)領(lǐng)域中電機(jī)用電量約占工業(yè)用電總量的75%[2]。高壓大功率設(shè)備更為突出，而這些設(shè)備大部分有節(jié)能的潛力，其中一個重要措施是進(jìn)行變頻改造。目前，變頻器在電機(jī)控制上得到了廣泛應(yīng)用[3-5]，變頻電機(jī)的節(jié)能效果在某些場合也得到了驗證[6-9]。

國家管網(wǎng)集團(tuán)華南公司為所轄地區(qū)的輸油站進(jìn)行了節(jié)能減排改造，其中一個重要措施就是對所屬輸油站的離心泵驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行了變頻改造。本文研究的輸油站離心泵電機(jī)額定電壓10 kV，額定功率2 MW，工況隨著所輸油品和流量變化，較復(fù)雜。為了解變頻器的應(yīng)用效果，本文對某輸油站的變頻離心泵一年的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤分析，通過分析，得到了變頻離心泵實際節(jié)能效果定量的結(jié)果，還發(fā)現(xiàn)了變頻離心泵在泵出口壓力調(diào)節(jié)能力和泵電機(jī)功率因數(shù)提升的實際效果，有助于輸油站進(jìn)行智慧用能改造和更可靠穩(wěn)定的工況調(diào)節(jié)。

1 控制效果理論分析

變頻離心泵的工作特性可描述[10]為

(1)

式中：H為離心泵揚程；a、b為對應(yīng)與轉(zhuǎn)速n0時，泵特性方程中的2個常系數(shù)；n為變頻后的轉(zhuǎn)速；n0為工頻轉(zhuǎn)速；m為管道流量-壓降公式中的指數(shù)，在離心泵內(nèi)，m=0；Q為離心泵流量。

離心泵電機(jī)為異步電機(jī)，其轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系為

(2)

式中：s為轉(zhuǎn)差率；p為極對數(shù)。

離心泵軸的功率為

P=QHgρ/(3 600η)

(3)

式中：g=9.8 m/s2；ρ為所輸油品的密度；η為泵的效率。

理論分析表明，變頻(降頻)后的離心泵電機(jī)可以節(jié)能、增大離心泵出口壓力調(diào)節(jié)范圍,提高電機(jī)功率因數(shù)。

1.1 節(jié) 能

由式(3)和式(1)可知：

(4)

式中：P、Q、H為與其串聯(lián)的變頻泵參數(shù)；P0、Q0、H0為工頻泵參數(shù)。

2臺泵串聯(lián)運行，其流量Q相同。理想狀態(tài)下，假設(shè)揚程損失為零，即b=0。因此，式(4)可簡化為

(5)

即變頻泵與工頻泵串聯(lián)運行時，變頻泵的功率與頻率(轉(zhuǎn)速)的平方成正比。降頻運行的泵，其功率消耗降低，具有顯著的節(jié)能效果。

1.2 增大離心泵出口壓力調(diào)節(jié)范圍

流體能量的伯努利方程如式(6)所示：

(6)

對于離心泵，可將式(6)改寫為

(7)

理想狀態(tài)下，離心泵進(jìn)出口揚程損失為零，修正系數(shù)相等。即泵的進(jìn)出口壓力差為

(8)

由式(8)可知，對于工頻的離心泵，進(jìn)出口流體的壓力差為定值，而變頻離心泵的進(jìn)出口壓力差可通過頻率(轉(zhuǎn)速)調(diào)節(jié)。

1.3 提高電機(jī)功率因數(shù)

異步電機(jī)的主電抗如下[11]：

Xm=ωL=2πfL

(9)

式中:L為異步電機(jī)主電感。

離心泵功率因數(shù)的近似計算式為

(10)

電機(jī)定子電流與視在功率近似呈正比，即與泵揚程近似呈正比，與泵轉(zhuǎn)速的平方呈正比。可將式(10)改寫為

(11)

額定工況下，電機(jī)的功率因數(shù)約為0.90，由此計算可得變頻泵在不同頻率下的功率因數(shù)如表1所示。

表1 變頻泵的功率因數(shù)估算值

由表1可知，離心泵通過降頻調(diào)速的工作方式可以提高泵功率因數(shù)。

2 輸油站配置介紹

2.1 離心泵配置及參數(shù)

圖1為某輸油站泵區(qū)。

圖1 某輸油站泵區(qū)

該輸油站共4臺主輸泵，額定電壓均為10 kV。1號泵為小泵，額定功率為1 050 kW，額定揚程為280 m。2～4號泵完全一樣，額定電流138 A，額定流量1 150 m3/h，額定揚程為560 m，電機(jī)額定功率為2 050 kW，額定功率因數(shù)為0.89。輸油站離心泵電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2 980 r/min。經(jīng)過變頻改造后，2號和4號泵可切換為變頻運行。變頻器投用約一年時間，2號泵主要在變頻情況下運行。1號和3號泵主要在工頻條件下運行。4號泵返廠檢修未回，運行數(shù)據(jù)不作為參考。

2.2 變頻器配置

輸油站變頻器為單元串聯(lián)型變頻器，其原理拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 單元串聯(lián)型變頻器拓?fù)鋱D

整套變頻器共有3n個功率單元，每相由n臺功率單元相串聯(lián)，并組成Y形連接，直接驅(qū)動電機(jī)。每臺功率單元電路、結(jié)構(gòu)完全相同，可以互換，也可以互為備用。

功率單元拓?fù)鋱D如3所示。

圖3 功率單元拓?fù)鋱D

該類型變頻器的特點如下：(1)采用多重化脈寬調(diào)劑(PWM)控制，輸出電壓波形接近正弦波。(2)整流電路的多重化，脈沖數(shù)多，功率因數(shù)高，輸入諧波小。(3)模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)方便，功率單元可互換。(4)直接高壓輸出，無需輸出變壓器。(5)極低的dv/dt輸出，無需任何形式的濾波器。

該變頻器可實現(xiàn)0～60 Hz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。變頻器輸出主界面如圖4所示。

圖4 變頻器輸出主界面

2.3 數(shù)據(jù)獲取

輸油站設(shè)備的運行數(shù)據(jù)由工作站SCADA系統(tǒng)監(jiān)測，監(jiān)測各離心泵的實時電壓(kV)、電流(A)、累計運行時間(h)、實時有功功率(kW)、累計用電量(kWh)等。2號和3號主輸泵運行數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 2號和3號主輸泵運行數(shù)據(jù)

離心泵電機(jī)工作時的功率因數(shù)在供電SCADA系統(tǒng)實時顯示。

3 運行數(shù)據(jù)分析

3.1 節(jié)能效果

輸油站停輸時，根據(jù)電氣SCADA的功率顯示，站場除主輸泵(離心泵)外的其他設(shè)備總功率一般不超過15 kW，不到2臺主輸泵功率的1%。因此，主輸泵的節(jié)能效果可以代表站場用電的節(jié)能效果。

選取該站2020年10月15—19日運行數(shù)據(jù)，以驗證串聯(lián)運行的變頻泵(2號泵)與工頻泵(3號泵)功率與頻率之間的關(guān)系。運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表3所示。運輸油品均為柴油，頻率比為變頻泵頻率與工頻的比值。表3中數(shù)據(jù)為1 min內(nèi)實際監(jiān)測值的平均值。

表3 泵運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

以工頻泵功率為基準(zhǔn)，利用式(5)和頻率比計算得到變頻的理論功率，及理論功率與實際功率的偏差，結(jié)果如表4所示。

表4 變頻泵(2號)理論功率與實際功率的比較

由表4數(shù)據(jù)可知，理論功率和實際功率的偏差<5.364%。實際運行經(jīng)驗表明，變頻泵的端電壓與工頻泵的端電壓不相同，頻率也會小幅度(±0.2 Hz)的波動，從而對泵電機(jī)功率產(chǎn)生影響。綜合以上，由式(5)所計算的理論功率滿足工程需求，驗證了式(5)的正確性。

站場近一年的運行中，一般是2號和3號泵同期運行。提取表2中2號和3號泵的運行數(shù)據(jù)，統(tǒng)計結(jié)果如表5所示。

表5 2號和3號主輸泵運行數(shù)據(jù)

如果2號泵仍采用工頻運行，則其理論上的累計用電量應(yīng)為

(12)

則2號泵理論上的節(jié)電量為2.346×106kWh，節(jié)電率為35.52%。

3.2 離心泵出口壓力調(diào)節(jié)能力

該輸油站進(jìn)站壓力不得小于1.00 MPa，出站壓力不得高于11.00 MPa。

2020年10月15日該站輸0#車柴，流量為994 m3/h。進(jìn)站管線壓力為1.42 MPa，出站管線壓力為10.21 MPa?，F(xiàn)場運行2號和3號主輸泵，2號泵進(jìn)口壓力即進(jìn)站壓力；2號泵出口壓力為5.16 MPa，即3號泵進(jìn)口壓力；3號泵出口壓力即出站壓力。2號泵變頻運行，設(shè)定頻率為43.50 Hz，3號泵工頻運行。

令進(jìn)站壓力(2號泵進(jìn)口壓力)為P1，2號泵出口壓力(3號泵進(jìn)口壓力)為P2，3號出口壓力(出站壓力)為P3。由式(8)可知：

(13)

求得該站2～4號主輸泵γa≈5.00 MPa。2～4號泵的額定揚程為560 m。該站1號泵額定揚程為280 m，1號泵(γa)′≈2.50 MPa。

未進(jìn)行變頻改造時，選擇2臺泵運行時，出站壓力相對于進(jìn)站壓力的增加值為7.50 MPa或10.00 MPa。選擇2臺大泵(2、3、4中任意2臺)運行時，出站壓力相對于進(jìn)站壓力的增加量為10.00 MPa。出站壓力超過允許值0～2.50 MPa，依賴輸油站泵出口匯管后的出站壓力調(diào)節(jié)閥節(jié)流，才可使出站壓力滿足運行計劃。

通過現(xiàn)場工況調(diào)研，進(jìn)行變頻改造后，變頻泵電機(jī)工作頻率一般為35～48 Hz。由式(8)計算2號變頻泵的進(jìn)出口壓力增加值為2.45～4.61 MPa。

變頻改造前后泵進(jìn)出口匯管壓力調(diào)節(jié)能力的如表6所示。

表6 泵進(jìn)出口匯管壓力調(diào)節(jié)能力表

由表6可知，變頻改造后，大大增加了出站壓力的調(diào)節(jié)范圍，減少了出站壓力調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)壓差，保護(hù)了管道和壓力調(diào)節(jié)閥。

同時變頻泵(2號)起動性能良好，起動初始頻率為5 Hz，緩慢上升到設(shè)定的工作頻率。起動時泵出口壓力平穩(wěn)，極大減小了抽空、憋壓風(fēng)險。電機(jī)電流比工頻起動瞬時幅值小，快速穩(wěn)定。

3.3 變頻泵功率因數(shù)改善效果

由運行歷史數(shù)據(jù)的分析，該站變頻泵(2號泵)電機(jī)工作頻率一般為35～48 Hz。對其功率因數(shù)的統(tǒng)計如表7所示。

表7 變頻泵的功率因數(shù)統(tǒng)計值

工頻泵(3號泵)電機(jī)的功率因數(shù)一般為0.90～0.91。由表7可知，與工頻泵電機(jī)相比，變頻泵電機(jī)的功率因數(shù)較高，改善了供電質(zhì)量。符合第1.3節(jié)的理論分析。

4 結(jié) 語

通過對10 kV變頻器在某輸油站應(yīng)用的研究，得出如下結(jié)論：

(1)變頻器對輸油站的經(jīng)濟(jì)效益巨大。裝設(shè)了變頻控制的主輸泵，在滿足工況需求的情況下，單機(jī)的節(jié)電率為35.52%。額定容量約2 MW的電機(jī)，每年的節(jié)電量可達(dá)2.346×106kWh。

(2)變頻器對輸油站保護(hù)電機(jī)和管道具有積極作用。裝設(shè)了變頻控制的主輸泵，電機(jī)起動時電流較小且更平穩(wěn)；降頻運行時，進(jìn)出管線內(nèi)流體壓力更平穩(wěn)，調(diào)節(jié)壓力時可緩升緩降。

(3)變頻器對輸油站用電質(zhì)量有良好的改善。裝設(shè)了變頻控制的主輸泵，其功率因數(shù)高于工頻的主輸泵。

因此，對于以電機(jī)負(fù)荷為主的行業(yè)來說，進(jìn)行電機(jī)的變頻改造具有良好成效。該輸油站主輸泵變頻控制應(yīng)用效果的成功經(jīng)驗可以推廣到其他輸油站或相關(guān)行業(yè)。