高压变频器在并联输油泵机组上的应用与节能分析.doc

高压变频器在并联输油泵机组上的应用与节能分析变频器/并联输油泵/应用/节能1 引言 惠民站3台输油泵均为并联泵，在正常生产情况下基本为2台泵并联运行，1台备用。原来是通过调节泵出口阀门开度来调节流量的，电能浪费严重。采用高压变频器实现输油泵的调速控制，取得了较好的效果(有的节能高达30%-40%)，大幅度降低了输油成本，提高了自动化程度，且有利于泵机组和管网的降压运行，减少了渗漏、爆管，可有效延长设备使用寿命。又可大幅度节约能源，降低生产成本。2 变频器及并联泵流量调节简介2.1 变频器简介 惠民站采用的是罗宾康完美无谐波系列变频器，此系列变频器通过将固定频率、固定电压的公用电源转换为可变频率、可变电压的电源而改变电机速度，这种变换是电子式的，无任何运动部件。变频器主要由变压器部分、用户I/O部分、控制部分、功率单元部分组成。变压器部分包括输入隔离变压器，输入电源线从这部分进入变频器，到电机的输出电源线也从这部分引出。输入隔离变压器为带18个隔离次级的特殊变压器，每个功率单元由输入隔离变压器具有不同角度相位差的次级供电，通过光纤接收调制信息以产生负载所需要的输出电压和频率。与标准的 PWM 系统不一样，加在电机端子上的电压是由许多较小幅度电压叠加所产生的，而不是采用较少的大幅度电压。这样有独到的好处：对电机绝缘的电压应力明显减小，而电机电流的质量则明显提高。此系列变频器无需外置升压变压器，不会使工厂配电系统产生明显的谐波失真；不需要电源滤波器；对敏感设备无干扰；不会使功率因数补偿电容器产生谐振问题。变频器输入电流失真明显减少，输入功率因数保持高于0.95。输出接近完美的正弦波，不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪声等问题的特性，不必加输出滤波器，就可以使用普通的鼠笼型异步电动机。其效率（包括变压器在内）能达到96.5%。2.2 并联泵流量调节方式简介 惠民站3台泵均为并联泵，正常生产情况下基本为2台泵并联运行，1台备用。通过调节泵出口阀门开度来调节流量，以全线8泵运行为例：惠民站主要运行技术参数：泵压5.0MPa，干压2.6MPa，则压差为2.4MPa，压力损失48%，节流损失严重，输油电单耗为：2.19kWh/m3。另外，此种调节方式，由于出口阀前后压差较大，泵本身承受的压力较大，对阀门及泵的机械损耗增大，维修量也较大。采用改变电机转速进行流量调节，出口阀全开，可大大降低阀门、泵承压，提高使用寿命，减小维修量，更主要的是降低电单耗，节约资金。为了节约投资并实现节能的目的，根据惠民站实际运行工况，选择安装2台变频器，带3台电机运行，目前，由于实现1台变频器带2台电机同时变频运行比较困难，系统采用变频器可拖动2台电机中任一台变频运行，另一台工频运行，也可以2台都在工频状态，这样，即解决了资金问题，又能达到并联泵的运行工况要求。3 变频控制方式 高压变频调速系统应用在输油泵机组固然可产生较好的节能效益，但由于输油系统属于油库生产中的一个重要枢纽环节，长时间连续运转，除对设备本身要求有较高的可靠性之外，在技术方案上必须与现场的工艺特点相结合，充分考虑现场操作，启动、停机，以及调节等诸方面的安全性，适用性和方便性。本系统在应用中采用了以下技术措施。 （1）系统具备工频、变频手动切换功能。一旦变频系统出现故障，可以手动切换到工频档，将变频系统甩开，在变频系统维修期间，也可保障输油泵的正常运行，满足输油生产的需要。 （2）系统的运转频率的调节采用开环手动调节方式。考虑到输油系统要求安全平稳运行，及反打孔盗油系统要求，及时捕捉定位压力变化点的特点，本系统不宜采用闭环调节控制。因为受整个输油系统管网波动的影响，如采用闭环控制，很容易造成系统的自动停机，或者引起整个输油系统的扰动，由于调速系统自动跟随压力变化而无法准确定位压力变化点，给输油生产的调度指挥带来不利的影响。而采用开环人为控制，通过一定运行时间的技术摸索，在不同工况下，人为地设定和调整变频系统的参数，即可减少部分初期投资，又可保障输油系统的安全平稳运行。 （3）现场设置启动、停止以及紧急停机按钮，控制室内设上位机对运行参数进行实行显示，极大地方便了现场操作人员的操作和对设备运行状态的监视。 （4）优化系统的保护参数，确保输油系统的连续平稳运行。在应用于输油系统时必须慎重选择，并对一些保护的参数按实际需要进行设置。避免由于变频系统的保护过于灵敏而造成输油泵停机，影响输油系统的安全平稳运行。 针对惠民站并联输油泵的工艺要求及初期投入的限制，3台输油泵机组配备2台变频器，1台为一拖一方案，1台为一拖二方案，其中一拖二方案要求2台输油泵不同时变频运行，可以实行相互切换，为增加运行的安全可靠性，变频系统通过高压隔离开关实现变频与工频的切换并在机械上实现互锁，避免误操作造成变频器损坏，变频调速系统接于6kV电压等级的主动力电源系统。接线如图1所示。图1 主接线图注：VFD1、VFD2： 变频器 M1、M2、M3电机QS：隔离开关QF：高压断路器 变频器的速度给定有2种方式可以实现： 一是从站控监控主机给定一个速度值，实现“远控”给定； 二是从变频器控制柜面板键盘给定一个速度值，实现“就地”给定。4 高压变频器节能分析4.1 惠民站原流量调节方式 这种方法是借助改变出口阀门开度的大小来调节流量的。它是一种相沿已久的机械方法。阀门控制的实质是改变管道中流体阻力的大小来改变流量。因为泵的转速不变，其扬程特性曲线HQ保持不变，如图2所示，当阀门全开时，管阻特性曲线R1Q与扬程特性曲线HQ相交于点a，流量为Qa，泵出口压头为Ha。若关小阀门，管阻特性曲线变为R2Q，它与扬程特性曲线HQ的交点移到点B，此时流量为Qb，泵出口压头升高到Hb。则压头的升高量为：Hb=Hb-Ha。于是产生了能量损失。图2 Hb=HbHa 在泵机组启运时，由于启动电流是额定电流的57倍，不但大量消耗电能还使电机组产生大量的热能，加速电机的老化过程，使得泵及电机的寿命大大缩短。4.2 变频器对流量调节方式 借助改变泵的转速来调节流量，这是一种先进的电力电子控制方法。转速控制的实质是通过改变所输送液体的能量来改变流量。因为只是转速变化，阀门的开度不变，如图3所示，管阻特性曲线R1Q也就维持不变。额定转速时的扬程特性曲线HaQ与管阻特性曲线相交于点a，流量为Qa，出口扬程为Ha。 当转速降低时，扬程特性曲线变为HcQ，它与管阻特性曲线R1Q的交点将下移到C，流量变为Qc 。此时，假设将流量Qc控制为阀门控制方式下的流量Qb，则泵的出口压头将降低到Hc。因此，与阀门控制方式相比压头降低了：Hc=Ha-Hc。据此可节约能量与Pc=HcQb成正比。 将这两种方法相比较可见，在流量相同的情况下，转速控制避免了阀门控制下因压头的升高和管阻增大所带来的能量损失。在流量减小时，转速控制使压头反而大幅度降低，所以它只需要一个比阀门控制小得多的，得以充分利用的功率损耗。5 节能数据分析5.1 理论节能分析 惠民站3台并联泵，型号及参数相同，额定功率Pe为1600kW，额定流量为750m3/h，扬程为550m，电机转速为2980r/min。 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下式确定： Q/Q1=n/n1 H/H1=(n/n1)2 P/P1=(n/n1)3 式中： Q 、H 、P 离心泵转速为n时的流量、扬程、功率； Q1、H1、P1离心泵转速改变为n1时的流量、扬程、功率； 现假定，电动机系统在使用变频器调速前后的功率因数基本相同。 理论节能量可用GB/T 12497-2006三相异步电动机经济运行强制性国家标准实施监督指南中的计算公式，即： (1) 式中： PL电机输入功率 Pe额定流量时电机输入功率kW QN额定流量 泵节电率按下式为： (2) 东临老线通常采用的运行方式有三种： a、为全线4泵：东营2台、惠民2台； b、全线5泵：东营2台、滨州1台、惠民2台； c、全线8泵：东营3台、滨州1台、惠民2台、商河2台。 各种工况下的理论节能量如表1所示。 变频器的效率一般为95%-96%，因此在计算变频调速节能时要将变频器5%左右的损耗考虑在内。如考虑了变频器的损耗，表1中计算的节能率就应该为21%、15%、42%，这样的计算结果与实际节能率更为接近。5.2 实际节能数据 通过近一年的实际应用，对惠民站不同运行工况下，高压变频器使用前后的日耗电对比情况如表2所示。表1 各种工况下的理论节能量表2 高压变频器使用前后的日耗电对比情况 不难看出东临老线全线在同等输量和同一原油输送方式下，惠民站的出站压力相同，使用高压变频器每月可节约电费1736030=52.08万元，（按最低节能量计算）每年可节约的电费为52.0812=633.6万元，前期投资在一年内即可收回，另外，减少了启动电流对电机的冲击，延长了电机的使用寿命，减少了设备的维修费用，创造了可观的间接经济效益。6 结束语 随着电气传动技术，尤其是变频调速技术的发展，高压电机利用高压变频器可以实现无级调速，满足生产工艺过程对电机调速控制的要求，采用高压变频器对泵类负载进行速度控制，不但对改进工艺、提高产品质量有好处，又符合节能和设备经济运行的要求，是可持续发展的必然趋