变频调节技术在原油管道输送中的应用分析

谭 磊，刘宝玉，杨云鹏，马洪建

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）

作为能源消耗仅次于美国和俄罗斯的超级大国，节能已成为中国能源可持续发展道路上的焦点问题。而作为一个高速发展中的国家，能耗与环境之间的矛盾也日益突出。石油需求的对外依存也成为制约中国经济发展的重要问题。如何能节约每一份能量在当今社会具有举足轻重的意义。在工业生产过程中，降低能耗，提高能量利用效率，使用先进技术及设备是有效的节能手段。

在输油管道的生产管理过程中,输量调节是经常用到的，如一年中季节变化、首站来油量的不均衡、末站输转油品的不畅通、管道或设备故障等原因,都可能引起输量变化。常用用于数量调节的方法有：

（1）车削输油泵叶轮调节

（2）拆卸多级离心泵叶轮级数调节

（3）大小泵匹配调节

（4）出口节流调节

以上调节方法均属于调节流量达到调节目的。此外还可以通过改变离心泵的转速达到调节输量的目的，即变频调节技术[1]。

在我国电机系统能耗效率非常低，采用变频技术的电机仅占10%。油田储运系统大量的输油泵仍未采用变频输油技术。随着油田开发进入后期，石油产量逐渐减少，油田储运系统载荷逐年降低，造成储运系统能耗逐年递增，系统效率逐年下降。这种趋势在油田储运系统中有明显体现。每座油库每年因电能消耗造成的经济损失达到上百万元。但是由于储运系统的特殊状况，不可能只通过更换输油泵或电机来实现线路与泵之间的特性匹配，因为如果管道输量的降低，相同距离输送后致使管道内的油温降低，管道一旦因特殊原因而致使停输后再启动的困难会更加严重，故要求必须对原油输送动力系统配备一定余量扬程的泵设施，因此很难从改变设备选型的角度来满足不同运行工况下的泵管特性匹配。而如果通过变频调速方式，就能达到在各种运行工况下的优化运行，提高储运输送系统的效率，达到节能减排的目的[2]。

1 变频调节技术介绍

1.1 变频调速技术简述

目前常用于输油管道改变离心泵机组转速的方法主要有在泵与固定转速的电动机间加液力耦合联轴器驱动，以及在电动机供电线路中安装变频器，通过改变电源频率改变电动机转速两种方法。液力耦合联轴器是安装在电动机与泵之间的一种通过液体传递转矩的传动部件。通过改变进入联轴器的油量，改变电动机与泵之间的耦合程度达到调节泵转速的目的。

变频器是串联在电动机供电回路中，可实现稳定输出电压，而频率可在一定范围内调节的电气装置。交流变频调速是随着计算机工业发展而发展起来的一门新兴而又成熟的技术，由于它与其他变速方法相比，具有良好的应用特性和显著地节能效果，所以在生产中的已广泛的应用[1]。

1.2 变频器变频调速原理

变频器变频调速的原理可由公式（1）给出：

式中: n ——电动机转速，r/min；

f ——电源频率，Hz；

p ——电动机磁极个数；

s ——转差率。

改变电机的供电电源频率即可达到改变电机转速的目的，这种方法就是变频器变频调节技术[3]。

1.3 变频调速技术的节能原理

由离心泵的特性可知,在管路特性曲线不变的情况下,改变离心泵转速后,其性能参数的改变由式(2)确定[4]。

式中：Q、H、N —离心泵转速为n时的流量、扬程、功率;

Q1、H1、N1—离心泵转速改变为n1时的流量、扬程、功率。

可知流量Q与转速n的成正比,扬程H与转速n的平方成正比,轴功率N与转速n的立方成正比,即功率与转速成三次方的关系下降。如果将电机的转速降下来,则在相同的运行流量下,原来消耗在节流上的功率就可以完全避免,取得良好的节能效果,这就是输油泵的变频节能原理[5]。

2 计算实例分析

2.1 原油物性计算

原油物性参数的计算主要包括原油密度计算与原油年度计算两部分，其具体计算方法如下：

2.1.1 原油密度计算

在已知原油温度为 20 ℃时的原油密度 的情况下，可由以下方法计算原油在其他温度下的密度。

2.1.2 原油粘度计算

原油粘度的计算主要通过原油的粘温关系式来确定，其粘温关系式主要有双对数形式的粘温关系式与指数形式的粘温关系式，两种关系式均能计算出原油在任意温度下相对应的粘度值[1]。

①双对数形式粘温关系式计算方法:

式中：ν —温度为t ℃时，原油的运动粘度，m2/s；

a，b —待定常数，可根据已知油品在两个温度下的粘度带入求得。

②指数形式粘温关系式计算方法

式中：νt、ν0、—分别为温度为t ℃时与温度为t0℃时原油的运动粘度，

m2/s；

u —粘温指数，可根据已知油品在两个温度下的粘度带入求得。

2.2 输油管道泵站现行参数计算

以胜利油田某等温输油管道泵站冬季运行情况为例，管道任务输量为 500万 t/a；设计管径为DN450；最高输送压力为8 MPa；该管道设有三座泵站，每座泵站配置有3台DKS750-550型离心泵，一台为备用泵，采用两泵并联运行的输送方式；管道设计输量为泵站设计扬程为Hb= 1 068m，泵站通过节流调节的方式满足任务输量的要求；管道输送油品密度为粘管道周围平均地温为1。

2.2.1 泵站供能分析

式中：hb—离心泵扬程，m；

Q —离心泵输量，m3/s。

由于泵站采用两泵并联运行方式，故泵站扬程

Hb为：

泵站供入的有效功率为：

三座泵站总供入有效功率为：

2.2.2 管路系统耗能分析

泵站供入能量主要通过管路沿程摩阻损失消耗，通过管路相关参数与相关沿程摩阻计算公式，可计算出管路压降，以确定管路系统耗能值，在此，选用列宾宗公式对该管道进行沿程摩阻分析：

式中：Hf—管道的沿程阻力损失，m；

Q —管道的输量，m³/s；

ν —油品的运动粘度，m2/s；

d —管道的直径，m；

l —管道的计算长度，m；

β，m —与流态有关的常数。

根据对原油输送时流态的分析，取m值为0.25通过计算得出管路压降为：

式中：Hg—系统管路压降，m；

Hf—系统管路沿程摩阻损失，m；

ΔZ —系统终、起点位差，m；

Hz—系统终点余压，m。

该管路系统通过节流调节方式到达管道任务输量后，其有效能损失为：

2.3 变频调节技术及经济分析

2.3.1 变频调节技术

如果使用变速调节将输量调节至任务输量Q0=0.1914 m3/s，终点余压59m。由比例定律得将流量从0.203 m3/s调至0.1914 m3/s时的转速为：

调速后的泵站扬程Hb1为:

泵站有用功率 ：

转速为 2834=n r/min

略大于任务输量，符合要求，无节流。

2.3.2 经济分析

通过计算进行经济分析,如果泵的效率为68%，则节流造成的轴功率损失应为：

N/0.68=587/0.68=863 kW。

则每年运行350天造成的电能经济损失为:

￥=863×24×0.5×350=351万元人民币。

可见如果使用变频节能技术则可以完全节省351万人民币，经济效益显著。

3 结 论

在储运系统中，由于输油管道输油量达不到设计要求，致使泵长期处在大马拉小车状态下运行，导致能耗增加，本文通过以上分析得到以下结论：

（1）变频调速节能技术是实现输油系统节能的有效技术途径,它将阀门节流工况调节方式改为输油泵的变频工况调节方式,具有调节方便，响应速度快，自动化程度高的特点,有效避免了输油泵出口阀的节流损失,产生了巨大的功能效益。

（2）变频调速节能技术可以使用工单位节省约11%的能源损耗，可获得较高的经济收益。

［1］王光然 油气管道输送[M].中国石油大学出版社，2005.

［2］陈殿军 输油泵机组变频调速节能技术的研究[J]．大庆石油学院工程硕士学位论文，2006:5-9.

［3］张国权 输油泵变频节能技术分析与应用[J]．油气储运，2008,27（3）：54.

［4］姚化伟 变频泵流量调节在输油系统中应用分析[J]．当代化工，2011，40（5）：479.

［5］尚立光 输油泵变频节能效果分析[J]．电子设计工程，2011,19（5）60.

［6］钱锡俊. 泵和压缩机[M].北京：中国石油大学出版社，2007.