1 引言
隨著近幾年油田輸油泵系統運用低壓變頻調速技術的日趨成熟和普及推廣,油田輸油泵系統地面設備的節能技改重點開始轉向6kv/10kv高壓及1000kw以上的大型輸油泵機組。基于對國內輸油泵高能耗問題的認識和對當前自控領域高壓大功率調速技術的比較研究，選擇目前國內高壓大功率變頻技術領先的東方日立(成都)電控設備有限公司生產的高壓變頻器為核心部件，通過系統集成與技術整合，形成了一套具有國內領先水平的解決方案。2005年10月投入運行后，無論在現場工藝方面，還是在節能降耗方面都取得了很好效果。
2 輸油站現狀
2.1 設備參數
慶哈輸油大隊是大慶油田公司管理的唯一一條長輸管線，負責為哈爾濱煉油廠輸送原油，每年輸送原油200多萬噸。慶哈輸油大隊共有3臺外輸泵機組，正常情況下啟1臺外輸泵，輸量大時啟動2＃或3＃1000kw的大泵，輸量小時啟動1#800kw的小泵。慶哈輸油大隊3臺輸油泵機組，主要技術參數如表1所示:
2.2 能耗分析
外輸油泵機組是慶哈輸油大隊的主要生產和耗能設備，由于泵的特性和管路特性不匹配，在實際運行中通過調節電動閥的開度來實現對輸量的控制，電動閥的開度僅為10％左右，有時泵壓和管壓的壓差高達2.6mpa，大量的能源消耗在閥門上，造成了資源的嚴重浪費。根據下面公式可以算出泵出口閥節流而產生的節流損失:
n損i=0.278p損iqi
式中:n損i:不同工況下的閥門節流損失功率，kw;
p損i:不同工況下的閥門節流損失壓力，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的輸油泵機組應用高壓變頻技術，輸油時全開泵出口的調節閥，根據生產實際情況通過設置高壓變頻裝置的運行頻率實現對輸量調整，減少在閥門上能源的浪費。
3 技術方案的選擇
3.1 方案比較
目前，高壓變頻調速系統處于技術發展階段，其基本原理均為“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;但變頻的實現方式各不相同，目前有較為成熟的3種技術方案，分別為:移相整流串聯疊加技術、三電平技術、電流源型變頻技術，對比情況如表2所示。
經對比分析，移相整流串聯疊加多電平電壓源技術先進，輸出電壓、電流波形好，對負載電機要求低。我們通過廣泛的調研和對變頻調速系統的技術經濟性能論證，最后選擇了東方日立(成都)電控設備有限公司生產的dhvectol-di-01320/10b系列高壓變頻裝置。
3.2 dhvectol-di-01320/10b系列高壓變頻調速系統的主要技術參數
逆變主回路方式:單元串聯多電平;
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(對于20%額定負載時)>0.95;
變頻系統效率>96%;
過載保護:110%額定電流、1min，120%額定電流30s，150%額定電流立即保護;
加速、減速時間0.1~3000s可調;
諧波控制輸入電流<4%;
控制部分模擬量輸入輸出信號4~20ma標準信號;
冷卻方式:風冷;
運行環境溫度-5~40℃;
具有故障屏蔽功能,最多可屏蔽2個單元,屏蔽時間>24h;
變頻設備型號:dhvectol-di—01320/10b。
3.3 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，但造成的能源浪費巨大。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，是滿足工況運行條件下的一條可行的技術途徑。
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。輸油泵機組工頻、變頻切換，如圖1所示。
圖1 輸油泵機組工頻、變頻切換
注意:
(1) qs1為單刀雙置隔離開關，作為3#電機工頻/變頻切換;
(2) qs2為單刀雙置隔離開關，作為2#電機工頻/變頻切換;
(3) qf為小車開關。
可以根據生產實際情況在旁通柜搬動相應開關選擇需要變頻運行的輸油泵機組。
dhvectol-di系列變頻調速裝置采用多電平串聯技術，10kv變頻裝置有30個功率單元，每10個功率單元串聯構成一相，每個功率單元結構以及電氣性能完全一致，可以互換(其電路結構如圖2所示)。功率單元實際上是交－直－交單相逆變電路，整流側為二極管三相橋、通過對igbt逆變橋進行正弦pwm控制，功率單元內部還包括驅動、保護、監測、通訊等組件的控制電路。輸入側由移相變壓器給每個單元供電,移相變壓器的副邊繞組分為三組,構成60脈沖整流方式，這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網側的電流波形,使用負載下的網側功率因數接近1。
圖2 單元電路結構圖
功率單元輸出側由每個單元的u、v輸出端子相互串接成星型接法直接給高壓電機供電，通過對每個單元的pwm波形進行重組，可得到階梯正弦pwm波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造;同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小軸承和葉片的機械應力。
4 系統的優化配置
高壓變頻調速系統應用于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長輸管線一個重要樞紐環節，長時間連續運轉，除對設備本身要求有較高的可靠性之外，系統還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下技術措施:
(1) 系統具備工頻、變頻切換功能。一旦變頻系統出現各種故障，可以切換到工頻，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，如采用閉環控制有可能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。而采用開環人工控制，通過一定運行時間的技術摸索，在不同工況下，通過人工的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，極大地方便了現場操作人員的操作和對設備運行狀態的監視。
(4) 實現了原站控制系統的信息共享，在站控制室顯示高壓變頻裝置的所有參數、運行情況和所有的報警信息。
(5) 變頻裝置具有旁路功能，這種功能是一種快速地、自動地切除出現故障單元而保證系統繼續正常運行的方法。當功率單元出現故障時，故障報警信號經由通訊電路傳輸給主控系統，主控系統接到故障信號后，經過故障種類判斷，對系統的各種信號協調，在條件滿足后，用最短的時間將出現故障的功率單元進行旁路切除，主控系統通過改變算法，重新計算輸出波形，保持輸出電壓波形完整，同時向用戶發出報警信號，并且自動對輸出功率進行調整，使擾動降至最低，保證系統正常運行。
5 使用節能效果分析
從2005年10月21日高壓變頻裝置使用以來，系統運行穩定,節能效果明顯,具體情況如下。
(1) 2＃電機工頻、變頻運行情況對比:
2＃電機以290m3/h的排量工頻運行24小時即10月27日12:00到10月28日12:00，共耗電20200kwh
2＃電機以290m3/h的排量變頻運行兩天實際耗電為:
10月30日0:00――24:00耗電11160kwh
10月31日0:00――24:00耗電11100 kwh
節電率為:
20200-11160＝9040 9040／20200＝44.75％
節電率為:
20200－11100＝9100 9100／20200＝45％
11月份2＃電機變頻運行1個月每天耗電量如表3所示。
(2) 2＃電機變頻運行1個月后和1-9月份工頻運行數據對比(參見表4),經過計算可得:
2005年前9個月平均輸油單耗: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
單耗節電率:30.74%
以11月份變頻運行的每噸單耗計算出2004年輸油耗電量:3670420kw·h; 2004年輸油耗電量: 5285790kw·h;節約電量為1615370kw·h，若按工業電價0.51元/kw·h計算，每年節約電費約為82.38萬元，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，因此還存在節能的潛力。
由于采用變頻系統對輸油泵機組進行軟啟軟停，減少了啟動過程中的沖擊，延長了輸油泵的保養維護周期，由于變頻后與原來相比在較低轉速下運行，泵軸、軸承的磨損程度減少，以軸承為例，變頻前2#泵正常運轉時軸承溫度達77℃~82℃,而變頻運行時軸承溫度僅為56℃~61℃，這將大大延長輸油泵的軸承，機械密封等易損件的壽命，同時運行時噪音降低，因此，除取得顯著直接經濟效益外，還具有較好的間接經濟效益。
6 結束語
輸油泵機組高壓變頻調速節能技術是實現輸油系統節能的有效技術途徑，它將閥門節流工況調節方式改為調節輸油離心泵的轉速來調節工況的方式，具有調節方便的特點，泵出口閥全開，有效的避免了輸油泵出口閥的節能損失，產生了巨大的經濟效益。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
