1 引言
隨著近幾年油田輸油泵系統(tǒng)運(yùn)用低壓變頻調(diào)速技術(shù)的日趨成熟和普及推廣,油田輸油泵系統(tǒng)地面設(shè)備的節(jié)能技改重點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)向6kv/10kv高壓及1000kw以上的大型輸油泵機(jī)組?；趯?duì)國(guó)內(nèi)輸油泵高能耗問(wèn)題的認(rèn)識(shí)和對(duì)當(dāng)前自控領(lǐng)域高壓大功率調(diào)速技術(shù)的比較研究，選擇目前國(guó)內(nèi)高壓大功率變頻技術(shù)領(lǐng)先的東方日立(成都)電控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器為核心部件，通過(guò)系統(tǒng)集成與技術(shù)整合，形成了一套具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平的解決方案。2005年10月投入運(yùn)行后，無(wú)論在現(xiàn)場(chǎng)工藝方面，還是在節(jié)能降耗方面都取得了很好效果。

2 輸油站現(xiàn)狀
2.1 設(shè)備參數(shù)
慶哈輸油大隊(duì)是大慶油田公司管理的唯一一條長(zhǎng)輸管線，負(fù)責(zé)為哈爾濱煉油廠輸送原油，每年輸送原油200多萬(wàn)噸。慶哈輸油大隊(duì)共有3臺(tái)外輸泵機(jī)組，正常情況下啟1臺(tái)外輸泵，輸量大時(shí)啟動(dòng)2?；?＃1000kw的大泵，輸量小時(shí)啟動(dòng)1#800kw的小泵。慶哈輸油大隊(duì)3臺(tái)輸油泵機(jī)組，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示:

2.2 能耗分析
外輸油泵機(jī)組是慶哈輸油大隊(duì)的主要生產(chǎn)和耗能設(shè)備，由于泵的特性和管路特性不匹配，在實(shí)際運(yùn)行中通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)閥的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸量的控制，電動(dòng)閥的開(kāi)度僅為10％左右，有時(shí)泵壓和管壓的壓差高達(dá)2.6mpa，大量的能源消耗在閥門上，造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。根據(jù)下面公式可以算出泵出口閥節(jié)流而產(chǎn)生的節(jié)流損失:
n損i=0.278p損iqi
式中:n損i:不同工況下的閥門節(jié)流損失功率，kw;
p損i:不同工況下的閥門節(jié)流損失壓力，mpa;
　　 qi:不同工況下單泵的排量，m3/h;
n損i=0.278×2.6×290
=209.6kw/h/1000kw/h=20.96%
因此十分有必要在慶哈輸油大隊(duì)的輸油泵機(jī)組應(yīng)用高壓變頻技術(shù)，輸油時(shí)全開(kāi)泵出口的調(diào)節(jié)閥，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況通過(guò)設(shè)置高壓變頻裝置的運(yùn)行頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)輸量調(diào)整，減少在閥門上能源的浪費(fèi)。

3 技術(shù)方案的選擇
3.1 方案比較
目前，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)處于技術(shù)發(fā)展階段，其基本原理均為“交一直一交”的逆變過(guò)程，通過(guò)改變電機(jī)定子的電壓頻率從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速;但變頻的實(shí)現(xiàn)方式各不相同，目前有較為成熟的3種技術(shù)方案，分別為:移相整流串聯(lián)疊加技術(shù)、三電平技術(shù)、電流源型變頻技術(shù)，對(duì)比情況如表2所示。

經(jīng)對(duì)比分析，移相整流串聯(lián)疊加多電平電壓源技術(shù)先進(jìn)，輸出電壓、電流波形好，對(duì)負(fù)載電機(jī)要求低。我們通過(guò)廣泛的調(diào)研和對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能論證，最后選擇了東方日立(成都)電控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的dhvectol-di-01320/10b系列高壓變頻裝置。
3.2 dhvectol-di-01320/10b系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)
逆變主回路方式:單元串聯(lián)多電平;
額定容量:1320kva;
額定輸出電流72.6a，額定輸出電壓10kv;
輸入端功率因數(shù)(對(duì)于20%額定負(fù)載時(shí))>0.95;
變頻系統(tǒng)效率>96%;
過(guò)載保護(hù):110%額定電流、1min，120%額定電流30s，150%額定電流立即保護(hù);
加速、減速時(shí)間0.1~3000s可調(diào);
諧波控制輸入電流<4%;
控制部分模擬量輸入輸出信號(hào)4~20ma標(biāo)準(zhǔn)信號(hào);
冷卻方式:風(fēng)冷;
運(yùn)行環(huán)境溫度-5~40℃;
具有故障屏蔽功能,最多可屏蔽2個(gè)單元,屏蔽時(shí)間>24h;
變頻設(shè)備型號(hào):dhvectol-di—01320/10b。
3.3 輸油泵機(jī)組變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)原理
根據(jù)離心泵的特性，其工況的調(diào)節(jié)主要是調(diào)節(jié)流量，而離心泵調(diào)節(jié)流量最常用的兩種方法:一、是通過(guò)調(diào)節(jié)泵出口閥的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，另一種是通過(guò)改變離心泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，前者雖然調(diào)節(jié)方便，但造成的能源浪費(fèi)巨大。通過(guò)對(duì)輸油泵電機(jī)的變頻改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來(lái)實(shí)現(xiàn)輸油泵的工況調(diào)節(jié)，是滿足工況運(yùn)行條件下的一條可行的技術(shù)途徑。
dhvectol-di高壓變頻裝置是由旁通柜、移相變壓器、功率單元柜、主控柜四部分組成。輸油泵機(jī)組工頻、變頻切換，如圖1所示。

圖1 輸油泵機(jī)組工頻、變頻切換

注意:
(1) qs1為單刀雙置隔離開(kāi)關(guān)，作為3#電機(jī)工頻/變頻切換;
(2) qs2為單刀雙置隔離開(kāi)關(guān)，作為2#電機(jī)工頻/變頻切換;
(3) qf為小車開(kāi)關(guān)。
可以根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況在旁通柜搬動(dòng)相應(yīng)開(kāi)關(guān)選擇需要變頻運(yùn)行的輸油泵機(jī)組。
dhvectol-di系列變頻調(diào)速裝置采用多電平串聯(lián)技術(shù)，10kv變頻裝置有30個(gè)功率單元，每10個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相，每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)以及電氣性能完全一致，可以互換(其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示)。功率單元實(shí)際上是交－直－交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相橋、通過(guò)對(duì)igbt逆變橋進(jìn)行正弦pwm控制，功率單元內(nèi)部還包括驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、監(jiān)測(cè)、通訊等組件的控制電路。輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)單元供電,移相變壓器的副邊繞組分為三組,構(gòu)成60脈沖整流方式，這種多級(jí)移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形,使用負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。

圖2 單元電路結(jié)構(gòu)圖

功率單元輸出側(cè)由每個(gè)單元的u、v輸出端子相互串接成星型接法直接給高壓電機(jī)供電，通過(guò)對(duì)每個(gè)單元的pwm波形進(jìn)行重組，可得到階梯正弦pwm波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無(wú)須輸出濾波器就可以使輸出電纜長(zhǎng)度很長(zhǎng)，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造;同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減小軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。

4 系統(tǒng)的優(yōu)化配置
高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于輸油泵機(jī)組固然可產(chǎn)生較好的節(jié)能效益，但由于輸油系統(tǒng)屬于長(zhǎng)輸管線一個(gè)重要樞紐環(huán)節(jié)，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，除對(duì)設(shè)備本身要求有較高的可靠性之外，系統(tǒng)還必須與現(xiàn)場(chǎng)的工藝特點(diǎn)相結(jié)合，充分考慮現(xiàn)場(chǎng)操作，啟動(dòng)、停機(jī)，以及調(diào)節(jié)等諸方面的安全性，適用性和方便性。本系統(tǒng)在應(yīng)用中采用了以下技術(shù)措施:
(1) 系統(tǒng)具備工頻、變頻切換功能。一旦變頻系統(tǒng)出現(xiàn)各種故障，可以切換到工頻，將變頻系統(tǒng)甩開(kāi)，在變頻系統(tǒng)維修期間可正常保障輸油泵的運(yùn)行，滿足油庫(kù)生產(chǎn)的需要。
(2) 系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的調(diào)節(jié)采用開(kāi)環(huán)手動(dòng)調(diào)節(jié)方式。考慮到輸油系統(tǒng)要求安全平穩(wěn)運(yùn)行的特點(diǎn)，本系統(tǒng)不宜采用閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。因?yàn)槭苷麄€(gè)輸油系統(tǒng)管網(wǎng)波動(dòng)的影響，如采用閉環(huán)控制有可能引起整個(gè)輸油系統(tǒng)的擾動(dòng)，給輸油生產(chǎn)的調(diào)度指揮帶來(lái)不利的影響。而采用開(kāi)環(huán)人工控制，通過(guò)一定運(yùn)行時(shí)間的技術(shù)摸索，在不同工況下，通過(guò)人工的設(shè)定和調(diào)整變頻系統(tǒng)的參數(shù)，即可減少部分初期投資，又可保障輸油系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。
(3) 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置、啟動(dòng)、停止以及緊急停機(jī)按鈕，極大地方便了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的操作和對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視。
(4) 實(shí)現(xiàn)了原站控制系統(tǒng)的信息共享，在站控制室顯示高壓變頻裝置的所有參數(shù)、運(yùn)行情況和所有的報(bào)警信息。
(5) 變頻裝置具有旁路功能，這種功能是一種快速地、自動(dòng)地切除出現(xiàn)故障單元而保證系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行的方法。當(dāng)功率單元出現(xiàn)故障時(shí)，故障報(bào)警信號(hào)經(jīng)由通訊電路傳輸給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)接到故障信號(hào)后，經(jīng)過(guò)故障種類判斷，對(duì)系統(tǒng)的各種信號(hào)協(xié)調(diào)，在條件滿足后，用最短的時(shí)間將出現(xiàn)故障的功率單元進(jìn)行旁路切除，主控系統(tǒng)通過(guò)改變算法，重新計(jì)算輸出波形，保持輸出電壓波形完整，同時(shí)向用戶發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并且自動(dòng)對(duì)輸出功率進(jìn)行調(diào)整，使擾動(dòng)降至最低，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

5 使用節(jié)能效果分析
從2005年10月21日高壓變頻裝置使用以來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,節(jié)能效果明顯,具體情況如下。
(1) 2＃電機(jī)工頻、變頻運(yùn)行情況對(duì)比:
2＃電機(jī)以290m3/h的排量工頻運(yùn)行24小時(shí)即10月27日12:00到10月28日12:00，共耗電20200kwh
2＃電機(jī)以290m3/h的排量變頻運(yùn)行兩天實(shí)際耗電為:
10月30日0:00――24:00耗電11160kwh
10月31日0:00――24:00耗電11100 kwh
節(jié)電率為:
20200-11160＝9040 9040／20200＝44.75％
節(jié)電率為:
20200－11100＝9100 9100／20200＝45％
11月份2＃電機(jī)變頻運(yùn)行1個(gè)月每天耗電量如表3所示。

(2) 2＃電機(jī)變頻運(yùn)行1個(gè)月后和1-9月份工頻運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比(參見(jiàn)表4),經(jīng)過(guò)計(jì)算可得:
2005年前9個(gè)月平均輸油單耗:2.57kw·h/t
2005年11月份平均輸油單耗:1.78kw·h/t
輸油單耗減少了0.79kw·h/t
單耗節(jié)電率:30.74%
以11月份變頻運(yùn)行的每噸單耗計(jì)算出2004年輸油耗電量:3670420kw·h; 2004年輸油耗電量: 5285790kw·h;節(jié)約電量為1615370kw·h，若按工業(yè)電價(jià)0.51元/kw·h計(jì)算，每年節(jié)約電費(fèi)約為82.38萬(wàn)元，1年多即可以收回成本。目前泵和管道還存在壓差，壓差為0.3mpa，因此還存在節(jié)能的潛力。
由于采用變頻系統(tǒng)對(duì)輸油泵機(jī)組進(jìn)行軟啟軟停，減少了啟動(dòng)過(guò)程中的沖擊，延長(zhǎng)了輸油泵的保養(yǎng)維護(hù)周期，由于變頻后與原來(lái)相比在較低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，泵軸、軸承的磨損程度減少，以軸承為例，變頻前2#泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸承溫度達(dá)77℃~82℃,而變頻運(yùn)行時(shí)軸承溫度僅為56℃~61℃，這將大大延長(zhǎng)輸油泵的軸承，機(jī)械密封等易損件的壽命，同時(shí)運(yùn)行時(shí)噪音降低，因此，除取得顯著直接經(jīng)濟(jì)效益外，還具有較好的間接經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)束語(yǔ)
輸油泵機(jī)組高壓變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)輸油系統(tǒng)節(jié)能的有效技術(shù)途徑，它將閥門節(jié)流工況調(diào)節(jié)方式改為調(diào)節(jié)輸油離心泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)工況的方式，具有調(diào)節(jié)方便的特點(diǎn)，泵出口閥全開(kāi)，有效的避免了輸油泵出口閥的節(jié)能損失，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。