武汉成品油穿江管道中变频调速系统应用的探讨

谢洪波 高九阳 中石化销售有限公司华中分公司，武汉 430022

武汉成品油穿江管道中变频调速系统应用的探讨

谢洪波 高九阳 中石化销售有限公司华中分公司，武汉 430022

本文介绍了武汉成品油穿江管道输送的特点，分析了该段管道在作业时系统流量和扬程的变化情况，对变频调速系统在该段管道中的应用进行了探讨，并对其节能效果及提高输油泵使用寿命方面进行了分析，为武汉成品油穿江管道运行的优化提供了一定的参考。

成品油管道；输油泵；变频调速；节能降耗

oil pipeline; fuel pump; WVF Systems; Energy saving

前言

成品油管道输送的方式目前已被世界各国广泛的接受，由于其高效率、易于优化管理、降低运输损耗和风险等其他运输方式所不具有的明显优势，已被大量地应用于广大内陆成品油的调配输送[1]。输油泵机组被视为成品油管道的心脏，其在管道运行时具有举足轻重的作用。目前，在我国成品油管道中，输油泵大都处于电动机驱动恒速运转的状态，其能耗是恒定不变的，若使其耗电量实现随负荷的大小而变化，则将产生显著的节能效果[2]。现代电力电子技术、交流调速技术的发展使得交流电动机变频调速在频率范围、动态响应、精度要求和使用效果等方面发生了巨大的飞跃。本文结合实际情况，对变频调速系统在我公司武汉成品油穿江管道中的应用进行了一定的探讨，为武汉成品油穿江管道的优化运行提供了一定的参考。

1. 武汉成品油穿江管道的特点

武汉成品油管道工程设计输量为350万吨/年。管道全线长18km，设计压力为4. 0MPa。管道采用“一泵到底”的常温密闭顺序输送工艺，输送0#柴油，90#、93#、97#组分汽油两大类四个牌号的油品。全线共设置大庄首站和武汉末站共2座输油工艺站场，其成品油来源主要依靠武汉石化炼油厂供给。

武汉成品油穿江管道大庄油库首站在设计选取管道输油泵时，选取的电机功率是令其输送量大于实际负荷，预留至广水方向的输送能力。它所带来的新问题是当给油泵流量不足时，输油泵的运行会出现无功输送，出现空抽或泵空状态，伴随泵空还会产生气蚀、气锁等现象，而气蚀、气锁又是导致泵装置、管组及阀门等设备损坏的主要原因。另外，由于过度的不间断运行，机械设备的损耗也相应上升，造成传统输油成本高，噪音大，运行可靠性低。同时，对于武汉—广水—信阳段成品油管线投入使用之后，该段管线会成为一条拥有多个注入点和分输点的成品油管道，而无论油品的输入还是输出，均将造成管线作业时流量和摩阻的变化。

2. 作业时管道流量及扬程变化情况

成品油管输系统中，要求泵机组适应不同的工况要求就要在较宽泛的流量、扬程下工作。输油作业时，管道的摩阻都会随着油品品种和流量的变化以及各种油品在管道中长度的变化（各个混油界面位置的推移）而变化，并且这种变化很大。因此只要管道不存在翻越点，所需泵的扬程就会随着这些变化而不同。下面以武汉成品油管道大庄首站—武汉油库末站为例，举例说明成品油管道的流量、摩阻(泵的流量、扬程)的变化情况。

2.1 直输方式：

武汉石化给油泵的流量由炼厂的给油泵房负责控制，其给油泵的流量因油品的不同和油罐的液位高度不同其管输的流量是个变化值。汽油给油泵的流量为400立方/小时且只能运行一台进行供给，柴油给油泵的流量为300立方/小时，两台并联运行供给，导致武汉石化至大庄首站管道内摩阻发生变化从而造成大庄首站主输泵的扬程（进口压力）的变化。例如：当管输油品为汽油时，给油泵的流量为350立方/小时，大庄首站主输泵前的压力为0.2Mpa；当管输油品为柴油时，两台给油泵并联运行给油流量为650立方/小时，到大庄首站泵前的压力为0.6Mpa。也就是说当管输方式为直输方式时，大庄首站泵前的流量和压力是个变化值导致首站出站压力和流量也在不停地变化。为了保证输油泵设备的正常运行，当首站控制其出站流量时其出站压力和末站的进站压力随之变化；反之亦然，如果大庄首站控制其出站压力时，随着给油量的变化其出站流量也是随之变化。在日常的管输情况下，当管输品种为汽油时，大庄首站主输泵前压力为0.1Mpa，泵出口调节阀仅能开启20%的开度出站流量为380立方/小时，泵出口压力2.2MP，出站压力仅1.55MP。当管输品种为柴油时，大庄首站主输泵前压力为0.2MP，泵出口调节阀开度仅有24%，流量为550立方/小时，泵出口压力2.2MP，出站压力1.6MP。

2.2 分输方式：

当管输油品由大庄油库油罐通过主输泵输往末站时，因泵站距离库区较近且进油管线口径满足泵入口的流量需求，在油品管输时，泵的入口流量达650m3以上，泵出口调节阀开度基本处于全开，泵出口压力为2.2MP，出站压力为1.95MP，基本消除截流现象。但如果考虑到该管线延长后其他油库数量的增加，其情况将更加复杂。

3. 变频调速系统在武汉成品油穿江管道中应用的分析

图1 变频调速泵的特性曲线Fig.1 The characteristic curve of the variable speed pump

对于武汉成品油穿江管道，输油泵需满足的主要是沿程管路的摩阻，而该管路系统中高度的提升及静压升高所需的扬程相对而言较少，此时，若通过调节阀来调节流速，不仅会大大增加管路的摩擦阻力，而且也会降低压力，通过以上分析可知，采用一般普通泵机组及采用调节阀调节流量很难满足节能要求。

近年来，市场上直接针对油泵的节能技术主要有两大类：一是开发不同类型的油泵节能电机，如超高转差率电动机、三相永磁同步电机、高启动转矩双定子结构电机和电磁调速电机等。二是使用节能配电箱，其中包括定子绕组y-δ转换调压和电容器动态无功补偿及静态无功补偿等。但由于资金投入太大及电网谐波污染严重等原因，无法大面积长期的使用。对于采用变频调速控制，则可以改变油泵长期处于低效做功的状态，使其工作方式与油泵实际负荷相匹配，保证每次都抽油，减少低效甚至无效抽取，从而降低电费开支，减少维护成本，提高运行效率。

3.1 变频调速系统的特性

变频调速技术通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速，相应地改变机泵的转速和工况，使其流量与扬程适应管网介质流量的变化[3]。

如下图1所示，n为泵的特性曲线，A为管路的特性曲线，H0为管网末端的服务压力，H'为泵出口压力。当用水量达到最大(Qmax)时，水泵全速运转，出口阀门全开，达到了满负荷运行，泵的特性曲线n0和管网特性曲线A0汇交于b点，则其工况点为b，此时，泵的出口压力为H'，未端服务压力刚好为H0。当流量从Qmax减少到Q1的过程中，泵全速运转，靠泵出口阀门关小控制；此时，管网阻力特性曲线变陡(A2)，泵的工况点由b上滑到c点，而管网所需的扬程将由b点下滑到d点，这样，c点和d点扬程的差值即为全速泵的能量浪费。

泵变速运转，当流量由Qmax下降到Q1时，泵降低转数，泵特性曲线变为n1，其工况点为d，正好落在管路特性曲线A0上，这样可使泵工作点始终沿A0滑动。管网的服务压力H0恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量的浪费，从而达到了调速节能的目的。

3.2 变频调速系统在管道输油作业时节能效果的研究

输油泵是成品油管道耗能大户，对于武汉成品油穿江管道大庄油库首站，目前其用电量约占油库总用电量的80%，特别是国产输油泵，其总体效率很低，据调查一般在60%左右，过剩的输油能力令输油泵的无功输送时间增加，造成油库的电费成本居高不下，能源浪费十分严重。

对于输油泵，按流体力学的基本理论，当其转速从额定转速n变为n1时，流量Q，扬程H及轴功率P有如下的变化关系：

其中，Q，H，P与Q1，H1， P1分别为输油泵额定转速n及降速至n1时的输油泵流量、扬程和输油泵轴功率。

假设某次作业需要输送油品量为V，转速为n及n1时完成作业所需时间分别为t及t1，依据水力学基本公式可知：

依据上式可知：

通过变频调速系统减速后完成输送任务需时间：11

设对于转速为n和n1时，完成输送任务所需功耗分别为W、W1，则：

采用变频调速系统降速后，所降低的功耗可以表示为：

由上式可知，在满足流量要求时，通过变频调速系统降低输油泵转速，便可得到节能效果。当转速降低至额定转速的一半时，通过采用变频调速系统所降低的功耗能达到采用额定转速所耗功的75%，即采用变频调速系统完成同样作业时所需功耗仅为采用额定转速时所需功耗的25%，节能效果非常明显。

3.3 变频调速系统对成品油管输系统其他作用的分析

对于成品油管输系统，变频调速系统能对主输泵机组进行软启动和软停止，减少启动和停止过程中对泵组的冲击，因此能够提高泵组的疲劳寿命，延长输油泵的保养和维护周期，采用变频系统后与未采用变频系统相比，输油泵机组的泵轴，轴承的磨损程度均相对减少。通过查阅相关资料可知，变频前和变频后最高温度差可达到30度左右，由此大大延长了输油泵的部件及机械密封等易耗件的寿命，在取得明显的经济效益的同时，也提高了泵组正常运行的时间，对完成成品油调度任务提供了一定的保障，具有一定的社会效益。

4. 结论

采用变频调速系统能使武汉成品油穿江管道的主输泵工作点根据设定值和管路摩阻的情况而自动地调节转速，适应系统的需要，节能效果明显。

同时，变频调速系统能够实现对有效的提高机组泵部件及易耗件的使用寿命，能对输油作业的安全运行提供一定的保障。

综上所述，变频调速系统在武汉成品油输油管道中应用能取得一定经济和社会效益，是一项值得推广的实用技术。

[1]李征西，徐思文.油品储运设计手册[M].北京: 石油工业出版社.1997:59-75

[2]曾多礼，等：成品油管道输送技术[M].北京：石油工业出版社.2002

[3]钱宏琦，陈海虹，周洁，等.离心水泵变频调速节能机理分析[J].贵州大学学报.2010,27(5):44-46

The Study about the Application of WVF Systems in Wuhan Oil Pipeline

XIE Hong-bo GAO Jiu-yang (Sinopec sales Co., LTD, central China branch Wuhan 430022)

This paper introduced the characteristics of the Wuhan oil pipeline, and the changes of the flow and lift about the pipe-network were analyzed when working. The effect of energy saving and improve service life about the application of WVF system in Wuhan oil pipeline were analyzed, the conclusions in this paper will enrich the under-standing of optimization operation for Wuhan oil pipeline.

TE832

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.18.048

谢洪波（1972- ），男，工程师，广西玉林人，主要从事油气储运设备及安全方面工作。