高壓變頻調速節能技術在大慶油田南一油庫輸油泵機組上的應用(二)
二、輸油泵機組變頻調速節能技術原理
根據離心泵的特性,其工況的調節主要是調節流量,而離心泵調節流量最常用的兩種方法一是通過調節泵出口閥的開度進行調節,另一種則是通過改變離心泵的轉速進行調節,前者雖然調節方便,但造成能源浪費巨大;通過對輸油泵電機的變頻改變電機的轉速,來實現輸油泵的工況調節,是因滿足工藝運行條件下的一條可行的技術途徑。
由離心泵的特性可知,在管路特性曲線不變的情況,改變離心泵轉速后,其性能參數的改變由下式確定
Q / Q!= n/ n1 H /H1=( n/n1 )2 N/N1=(n/n1)3
其中:Q、H、N----離心泵轉速為n時的流量、揚程、功率;
Q1、H1、N1-----離心泵轉速改變為n1時的流量、揚程、功率。

由以上離心泵轉速改變前后的關系式方知,如果離心泵轉速有很小的降低,則離心泵所需的輸入功率會大幅度地降低,從而產生明顯的節能效果,離心泵轉速降低在額定轉速20%以內時,離心泵的特性曲線的形狀與原來相似,如圖1所當離心泵轉速由n降為n1時,其特性曲線為與原曲線平行的一條曲線,設原管路特性曲線為R,R與H-Q(n)相交于A點,A即為原工況點。在變頻狀態下,離心泵轉速為n1時,其特性曲線為H1-Q1(n1),由于此時泵出口閥被全開,管路特性曲線變為較為平坦的R1(n1),此時R1(n1)與H1-Q1(n1)交于A1點,即為新的工況點,此時Q1=Q,即保持離心泵排量不變,但泵的揚程由H減少為H1,因此在保證滿足輸油量的情況下,通過削減離心泵楊程節約的能量為HAA1H1的面積。這就是離心輸油泵變頻節能的原理。
三、高壓變頻調速系統的選擇
目前,6KV高壓變頻調速系統處于技術發展階段,其基本原理均為通過“交一直一交”的逆變過程,通過改變電機定子的電壓頻率從而改變電機的轉速。高壓電機調速的方式從技術實現途徑上又可分為“高一低一高”、“高一高”、“IGBT直接串聯”等幾種方式。其中“高一低一高”方案中需多一級升壓變壓器,設備結構龐大,系統效率相對較低,屬于落后淘汰技術。“高一高“方式直接采用6KV電壓輸入,6KV輸出無須升壓變壓器,系統效率相對較高,目前該形式變頻調速系統應用較多。“IGBT直接串聯”型變頻器采用1700V高壓IGBT原件,具有元件數量少,占地空間小等優點,但由于IGBT元件直接串聯從技術性能等方面尚不成熟,在技術上帶有一定的風險性。通過充分調研國內外各種6KV變頻調速系統的應用情況和進行各種變頻調速系統的技術經濟性能論證,最終選用北京利德華福公司生產的HARSVERT-A06/076型高壓變頻調速系統應用于南一油庫2#輸油泵機組上。該變頻調速系統的主要技術參數為:
逆變主回路方式:單元串聯多電平
額定容量:790KVA
額定輸出電流76A,額定輸出電壓6KV
輸入頻率50HZ±10%,輸出頻率范圍0.1HZ~50HZ,輸出頻率分辨率0.01HZ
輸入端功率因數(對于20%額定負載時)>0.95
變頻系統效率>96%
過載保護:120%額定電流、1min,150%額定電流3S,200%額定電流立即保護。
加速、減速時間0.1—300可調
諧波控制輸入電流<4%,輸出電壓6%,輸出電流2%
控制部分模擬量輸入輸出信號0~20mA標準信號
工控機與外部通訊接口RS485
外殼防護等級≥IP20
冷卻方式:風冷;運行環境溫度0~40℃
四、技術方案
高壓變頻調速系統應用輸油泵機組固然可產生較好的節能效益,但由于輸油系統屬于油庫生產中的一個重要樞紐環節,長時間連續運轉,除對設備本身要求有較高的可靠性之外,在技術方案上必須與現場的工藝特點相結合,充分考慮現場操作,啟動、停機,以及調節等諸方面的安全性,適用性和方便性。本系統在應用中采用了以技術措施。
① 系統具備工頻、變頻手動切換功能。一旦變頻系統出現種故障,可以手動切換到工頻檔,將變頻系統甩開,在變頻系統維修期間可正常保障輸油泵的運行,滿足油庫生產的需要。
② 系統的運轉頻率的調節采用開環手動調節方式。考慮到輸油系統要求安全平穩運行的特點,本系統不宜采用閉環調節控制。因為受整個輸油系統管網波動的影響,如采用閉環控制,很容易造成系統的自動停機,或者引起整個輸油系統的擾動,給輸油生產的調度指揮帶來不利的影響。而采用開環人為控制,通過一定運行時間的技術摸索,在不同工況下,人為地設定和調整變頻系統的參數,即可減少部分初期投資,又可保障輸油系統的安全平穩運行。
③ 現場設置、啟動、停止以及緊急停機按鈕,控制室內設上位機對運行參數進行實行顯示,極大地方便了現場操作人員的操作和對設備運行狀太的監視。
④ 優化系統的保護參數,確保輸油系統的連續平穩運行。在應用于輸油系統時必須慎重選擇,并對一些保護的參數按實際需要進行設置。避免由于變頻系統的保護過于靈敏而而造成輸油泵停機,影響輸油系統的安全平穩運行。
⑤ 在變頻調速系統內設置適合于現場實際的報警功能,并對運行的參數,操作情況,故障情況具有詳細的記錄功能。
根據離心泵的特性,其工況的調節主要是調節流量,而離心泵調節流量最常用的兩種方法一是通過調節泵出口閥的開度進行調節,另一種則是通過改變離心泵的轉速進行調節,前者雖然調節方便,但造成能源浪費巨大;通過對輸油泵電機的變頻改變電機的轉速,來實現輸油泵的工況調節,是因滿足工藝運行條件下的一條可行的技術途徑。
由離心泵的特性可知,在管路特性曲線不變的情況,改變離心泵轉速后,其性能參數的改變由下式確定
Q / Q!= n/ n1 H /H1=( n/n1 )2 N/N1=(n/n1)3
其中:Q、H、N----離心泵轉速為n時的流量、揚程、功率;
Q1、H1、N1-----離心泵轉速改變為n1時的流量、揚程、功率。

由以上離心泵轉速改變前后的關系式方知,如果離心泵轉速有很小的降低,則離心泵所需的輸入功率會大幅度地降低,從而產生明顯的節能效果,離心泵轉速降低在額定轉速20%以內時,離心泵的特性曲線的形狀與原來相似,如圖1所當離心泵轉速由n降為n1時,其特性曲線為與原曲線平行的一條曲線,設原管路特性曲線為R,R與H-Q(n)相交于A點,A即為原工況點。在變頻狀態下,離心泵轉速為n1時,其特性曲線為H1-Q1(n1),由于此時泵出口閥被全開,管路特性曲線變為較為平坦的R1(n1),此時R1(n1)與H1-Q1(n1)交于A1點,即為新的工況點,此時Q1=Q,即保持離心泵排量不變,但泵的揚程由H減少為H1,因此在保證滿足輸油量的情況下,通過削減離心泵楊程節約的能量為HAA1H1的面積。這就是離心輸油泵變頻節能的原理。
三、高壓變頻調速系統的選擇
目前,6KV高壓變頻調速系統處于技術發展階段,其基本原理均為通過“交一直一交”的逆變過程,通過改變電機定子的電壓頻率從而改變電機的轉速。高壓電機調速的方式從技術實現途徑上又可分為“高一低一高”、“高一高”、“IGBT直接串聯”等幾種方式。其中“高一低一高”方案中需多一級升壓變壓器,設備結構龐大,系統效率相對較低,屬于落后淘汰技術。“高一高“方式直接采用6KV電壓輸入,6KV輸出無須升壓變壓器,系統效率相對較高,目前該形式變頻調速系統應用較多。“IGBT直接串聯”型變頻器采用1700V高壓IGBT原件,具有元件數量少,占地空間小等優點,但由于IGBT元件直接串聯從技術性能等方面尚不成熟,在技術上帶有一定的風險性。通過充分調研國內外各種6KV變頻調速系統的應用情況和進行各種變頻調速系統的技術經濟性能論證,最終選用北京利德華福公司生產的HARSVERT-A06/076型高壓變頻調速系統應用于南一油庫2#輸油泵機組上。該變頻調速系統的主要技術參數為:
逆變主回路方式:單元串聯多電平
額定容量:790KVA
額定輸出電流76A,額定輸出電壓6KV
輸入頻率50HZ±10%,輸出頻率范圍0.1HZ~50HZ,輸出頻率分辨率0.01HZ
輸入端功率因數(對于20%額定負載時)>0.95
變頻系統效率>96%
過載保護:120%額定電流、1min,150%額定電流3S,200%額定電流立即保護。
加速、減速時間0.1—300可調
諧波控制輸入電流<4%,輸出電壓6%,輸出電流2%
控制部分模擬量輸入輸出信號0~20mA標準信號
工控機與外部通訊接口RS485
外殼防護等級≥IP20
冷卻方式:風冷;運行環境溫度0~40℃
四、技術方案
高壓變頻調速系統應用輸油泵機組固然可產生較好的節能效益,但由于輸油系統屬于油庫生產中的一個重要樞紐環節,長時間連續運轉,除對設備本身要求有較高的可靠性之外,在技術方案上必須與現場的工藝特點相結合,充分考慮現場操作,啟動、停機,以及調節等諸方面的安全性,適用性和方便性。本系統在應用中采用了以技術措施。
① 系統具備工頻、變頻手動切換功能。一旦變頻系統出現種故障,可以手動切換到工頻檔,將變頻系統甩開,在變頻系統維修期間可正常保障輸油泵的運行,滿足油庫生產的需要。
② 系統的運轉頻率的調節采用開環手動調節方式。考慮到輸油系統要求安全平穩運行的特點,本系統不宜采用閉環調節控制。因為受整個輸油系統管網波動的影響,如采用閉環控制,很容易造成系統的自動停機,或者引起整個輸油系統的擾動,給輸油生產的調度指揮帶來不利的影響。而采用開環人為控制,通過一定運行時間的技術摸索,在不同工況下,人為地設定和調整變頻系統的參數,即可減少部分初期投資,又可保障輸油系統的安全平穩運行。
③ 現場設置、啟動、停止以及緊急停機按鈕,控制室內設上位機對運行參數進行實行顯示,極大地方便了現場操作人員的操作和對設備運行狀太的監視。
④ 優化系統的保護參數,確保輸油系統的連續平穩運行。在應用于輸油系統時必須慎重選擇,并對一些保護的參數按實際需要進行設置。避免由于變頻系統的保護過于靈敏而而造成輸油泵停機,影響輸油系統的安全平穩運行。
⑤ 在變頻調速系統內設置適合于現場實際的報警功能,并對運行的參數,操作情況,故障情況具有詳細的記錄功能。
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