摘 要：石油石化行業(yè)，大量使用輸油泵，輸油泵并非長(zhǎng)時(shí)間滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，存在一定的節(jié)能空間。隨著大功率電力電子器件的使用，單元串聯(lián)多電平的交流變頻調(diào)速技術(shù)越來(lái)越成熟，并成功地應(yīng)用在油田輸油泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

　　關(guān)鍵詞：Goodrive5000 油田 輸油泵 高壓變頻器

　　一、引言

　　大慶油田為中國(guó)產(chǎn)油量最多規(guī)模最大的油田，始終堅(jiān)持科技自主創(chuàng)新、持續(xù)創(chuàng)新，大力實(shí)施科技興企戰(zhàn)略，奉行“奉獻(xiàn)能源，創(chuàng)造和諧”的企業(yè)宗旨。為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策，大慶油田提出對(duì)東油庫(kù)的四臺(tái)高壓輸油泵進(jìn)行變頻改造。

　　此次采用高壓變頻器的油庫(kù)隸屬于第一采油廠，該廠是與大慶油田同期開(kāi)發(fā)的采油廠，是全國(guó)最大的采油廠，是全國(guó)第一個(gè)實(shí)現(xiàn)累計(jì)生產(chǎn)原油5億噸的采油廠，是科技成果豐厚的采油廠，是大慶精神重要發(fā)源地、文化底蘊(yùn)深厚的采油廠。

　　該采油廠最主要的耗能設(shè)備就是油庫(kù)生產(chǎn)運(yùn)行中的輸油泵。由于輸油泵的特性和管路特性不完全匹配，往往在實(shí)際運(yùn)行中，經(jīng)常需要根據(jù)運(yùn)行工況控制輸油泵出口閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)流量，以滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的需要。這種流量調(diào)節(jié)方式在輸油泵出口閥門(mén)前后產(chǎn)生較大的泵管壓差，大量的能源消耗在泵出口閥前后，造成能源的浪費(fèi)。

　　第一采油廠東油庫(kù)配置有2臺(tái)6kV315kW和2臺(tái)6kV280kW的輸油泵，最終使用兩套深圳市英威騰電氣股份有限公司研發(fā)生產(chǎn)的Goodrive5000系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用一拖二的方式通過(guò)調(diào)節(jié)輸油泵的轉(zhuǎn)速來(lái)滿(mǎn)足不同的使用工況，消除由于輸油泵管壓差而產(chǎn)生的節(jié)流損失，降低了輸油單耗，節(jié)約了電能，改善了工藝。

　　二、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及運(yùn)行工況分析

　　2.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參數(shù)

　　該油庫(kù)主要接收油田兩大主力采油廠-采油一廠、采油二廠來(lái)油，裝備有6臺(tái)輸油泵機(jī)組。采用變頻改造的輸油泵機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

　　表1：東油庫(kù)輸油泵機(jī)組技術(shù)參數(shù)

　　2.2 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工況

　　由于輸油泵和輸油管道的特性不匹配(在泵選型過(guò)程，不可能選擇到完全與管路特性匹配的輸油泵)，在不同的實(shí)際運(yùn)行工況下，需通過(guò)調(diào)節(jié)輸油泵出口閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)流量，據(jù)統(tǒng)計(jì)4臺(tái)輸油泵在雙泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，輸油泵閥門(mén)出口最大開(kāi)度不超過(guò)30%。這種運(yùn)行工況造成在輸油泵出口閥門(mén)的前后存在著較大的泵管壓差，由于泵出口閥門(mén)的節(jié)流造成了大量的能源損失，輸油泵做了大量的無(wú)用功，縮短了輸油泵機(jī)組的維護(hù)周期和使用壽命。

　　圖1 輸油泵及驅(qū)動(dòng)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)

　　2.3 現(xiàn)場(chǎng)存在問(wèn)題：

　　1)采用輸油泵定速運(yùn)行，閥門(mén)調(diào)整節(jié)流損失大、出口壓力高、管損嚴(yán)重、系統(tǒng)效率低，造成能源的浪費(fèi)。

　　2)當(dāng)流量降低閥位開(kāi)度減小時(shí)，調(diào)整閥前后壓差增加工作安全特性變壞，壓力損失嚴(yán)重，造成能耗增加。

　　3)長(zhǎng)期的30%左右的低閥門(mén)開(kāi)度，加速閥體自身磨損，導(dǎo)致閥門(mén)控制特性變差。

　　4)管網(wǎng)壓力過(guò)高威脅系統(tǒng)設(shè)備密封性能，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致閥門(mén)泄漏，不能關(guān)嚴(yán)等情況發(fā)生。

　　5)設(shè)備使用壽命短、日常維護(hù)量大，維修成本高，造成各種資源的極大浪費(fèi)。

　　2.4 運(yùn)行特性分析

　　由于輸油泵系統(tǒng)為兩臺(tái)同時(shí)運(yùn)行有備用泵，據(jù)此，就輸油泵系統(tǒng)采用“一工一變”還是“兩變”的運(yùn)行模式進(jìn)行理論分析、探討。

　　目前輸油泵系統(tǒng)采用閥門(mén)控制時(shí)，其給輸油泵工作點(diǎn)和調(diào)節(jié)曲線合成如圖2所示。

　　圖2 工頻并聯(lián)運(yùn)行管網(wǎng)特性曲線

　　H為管網(wǎng)實(shí)際所需的工作壓力，HA、HB、HC則為在不同負(fù)荷下，輸油泵的實(shí)際泵口工作壓力。系統(tǒng)通過(guò)閥門(mén)改變了管網(wǎng)阻力特性，從而達(dá)到實(shí)際所需的流量值。

　　采用一工一變調(diào)整時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)變頻泵實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的前后壓差控制，特性如圖3。保證通過(guò)閥門(mén)的流速不變，系統(tǒng)通過(guò)控制閥門(mén)的開(kāi)度改變管徑大小實(shí)現(xiàn)所需流量的調(diào)節(jié)。該種運(yùn)行方式下，兩臺(tái)輸油泵的合成曲線實(shí)現(xiàn)對(duì)管壓控制，通過(guò)調(diào)門(mén)改變流量。此種運(yùn)行方式，能夠?qū)崿F(xiàn)全負(fù)荷下的系統(tǒng)響應(yīng)能力。較單純的閥門(mén)調(diào)節(jié)，減小了閥門(mén)壓差損失，而且實(shí)現(xiàn)了給水調(diào)門(mén)的流量線性度控制。

　　圖3 工變并頻運(yùn)行管網(wǎng)特性曲線

　　采用兩臺(tái)變頻泵運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)將閥門(mén)全開(kāi)，管網(wǎng)阻力特性直接與負(fù)荷相關(guān)聯(lián)。通過(guò)兩臺(tái)變頻泵的轉(zhuǎn)速同期調(diào)節(jié)，能夠全程動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制。這種運(yùn)行方式較一工一變，完全舍去了閥門(mén)的壓力損失，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。運(yùn)行特性如圖4所示。

　　圖4 變頻并聯(lián)運(yùn)行管網(wǎng)特性曲線

　　據(jù)此分析，在運(yùn)行方式上采用兩臺(tái)高壓變頻器采用一拖二的拖動(dòng)方式和壓力閉環(huán)控制模式。在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能降耗的同時(shí)，其安全性能與事故響應(yīng)處理能力和速度滿(mǎn)足系統(tǒng)快速動(dòng)作的需求。

　　三、變頻器配置方案

　　3.1 一次主回路方案

　　本項(xiàng)目Goodrive5000系列變頻器配置的旁路系統(tǒng)采用一拖二手動(dòng)方案，變頻與工頻能夠手動(dòng)切換。變頻調(diào)速系統(tǒng)由用戶(hù)開(kāi)關(guān)、手動(dòng)旁路柜、高壓變頻器、高壓電機(jī)組成。手動(dòng)旁路柜是由真空高壓隔離開(kāi)關(guān)組成。手動(dòng)旁路柜嚴(yán)格按照“五防”聯(lián)鎖要求設(shè)計(jì)，完全能夠保證變頻調(diào)速系統(tǒng)安全運(yùn)行。

　　1)旁路柜內(nèi)QS1—QS6均采用高壓刀閘。

　　2)高壓變頻器與上級(jí)高壓開(kāi)關(guān)柜控制聯(lián)系：

　　a.“變頻合閘允許”——常開(kāi)接點(diǎn) 該點(diǎn)串入上級(jí)高壓開(kāi)關(guān)柜的合閘回路，當(dāng)高壓變頻器控制電源已送，所有柜門(mén)均已關(guān)閉，高壓變頻器本身無(wú)故障。此時(shí)該接點(diǎn)處于閉合狀態(tài)，高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的高壓斷路器可以閉合。否則高壓斷路器不能閉合。

　　b.“分閘”——常開(kāi)接點(diǎn) 該點(diǎn)并入上級(jí)高壓開(kāi)關(guān)柜的分閘回路，當(dāng)高壓變頻器發(fā)生重故障時(shí)，接點(diǎn)處于閉合狀態(tài)，跳開(kāi)上級(jí)高壓斷路器，避免事故擴(kuò)大。

　　其一次系統(tǒng)如圖5所示：

　　圖5一拖二手動(dòng)旁路一次系統(tǒng)圖

　　3)工作形式：

　　a.1#輸油泵變頻運(yùn)行：閉合QS1、QS2，合上級(jí)斷路器QF1，送高壓電，啟動(dòng)變頻器，帶動(dòng)1#輸油泵變頻運(yùn)行。此時(shí)2#輸油泵可工頻旁路運(yùn)行;

　　b.2#輸油泵變頻運(yùn)行：閉合QS5、QS6，合上級(jí)斷路器QF2，送高壓電，啟動(dòng)變頻器，帶動(dòng)2#輸油泵變頻運(yùn)行。此時(shí)1#輸油泵可工頻旁路運(yùn)行;

　　c.1#輸油泵與2#輸油泵可同時(shí)旁路運(yùn)行。

　　3.2 Goodrive5000系列高壓變頻器特性

　　(1)技術(shù)新穎

　　串聯(lián)多重化疊加技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了真正意義的高-高電力變換，無(wú)需降壓升壓變換，降低了裝置的損耗，提高了可靠性，解決了高壓電力變換的困難。串聯(lián)多重化疊加技術(shù)的應(yīng)用還為實(shí)現(xiàn)純正弦波、消除電網(wǎng)諧波污染開(kāi)辟了嶄新的途徑。

　　(2)科技含量高

　　? * 采用大規(guī)模門(mén)陣列CPLD電路，實(shí)現(xiàn)了PWM控制的高度實(shí)時(shí)性、快速性和準(zhǔn)確性。

　　? * 特別設(shè)計(jì)的H橋逆變電路，已獲得了國(guó)家專(zhuān)利，為系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性提供了保障。

　　? * 完善的功率單元旁通技術(shù)，已獲得了國(guó)家專(zhuān)利，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

　　? * 優(yōu)秀的DSP+FPGA+ARM嵌入式三核控制技術(shù)。

　　? * 中性點(diǎn)偏移、支持兩單元旁路。

　　? * 高性能的無(wú)PG矢量控制技術(shù)。1Hz滿(mǎn)扭矩輸出，可在2.5秒把變頻器從0Hz拖到50Hz

　　? * 優(yōu)良的低頻控制性能;可在10Hz以下輸出完美波形

　　* 瞬停不停，重載累設(shè)備電網(wǎng)電晃1.1秒不停機(jī)，風(fēng)機(jī)累能夠做到電網(wǎng)電晃5秒不停機(jī)

　　3.3 變頻器選型

　　結(jié)合輸油泵現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，我司選型如下：

　　四、客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)具體使用效果

　　4.1 現(xiàn)場(chǎng)使用效果

　　東油庫(kù)5、6#輸油泵機(jī)組變頻調(diào)速系統(tǒng)于2013年11月9號(hào)正式投運(yùn)成功，經(jīng)過(guò)六個(gè)月的試運(yùn)行，取得了明顯的節(jié)能效果，對(duì)于在工頻并聯(lián)運(yùn)行，變頻泵并聯(lián)運(yùn)行、工變頻并聯(lián)運(yùn)行等不同的工況下，對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示。

　　表2：變頻前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

　　由表2的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，在變頻并聯(lián)運(yùn)行工況下，1、6#輸油泵變頻調(diào)速運(yùn)行，可以產(chǎn)生明顯的節(jié)電效益，據(jù)歷年運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，據(jù)此可計(jì)算若輸油泵機(jī)組在全年運(yùn)行狀況下，與未實(shí)施變頻調(diào)速前相比，綜合節(jié)電率為26%，若按每年運(yùn)行330天計(jì)算，1#泵年可節(jié)電約330×(5626-4214)=46.6萬(wàn)kWh，按6kV工業(yè)電價(jià)0.465元/kWh計(jì)，年可產(chǎn)生節(jié)電效益21.7萬(wàn)元，兩年可基本回收項(xiàng)目投資。

　　4.2 現(xiàn)場(chǎng)照片

　　4.3 客戶(hù)收益

　　* 英威騰Goodrive5000系列變頻應(yīng)用在輸油泵上的應(yīng)用主要帶來(lái)以下收益：

　　? * Goodrive5000高壓變頻器極強(qiáng)的過(guò)載能力，很好地滿(mǎn)足了球磨調(diào)速過(guò)程中負(fù)載頻繁變化的情況;

　　? * 與閥門(mén)調(diào)速方式相比，變頻器方案能提高效率，達(dá)到很好的節(jié)能效果;

　　? * 系統(tǒng)維護(hù)更加簡(jiǎn)單;

　　? * 可以通過(guò)變頻器，提高自動(dòng)化水平，便于通過(guò)PROFIBUS-DP或Modbus組網(wǎng)控制,基至可以組成三級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng);

　　? * 變頻器的軟啟動(dòng)功能，使電機(jī)的啟動(dòng)電流<1.2倍額定電流，可以降低對(duì)電網(wǎng)及用電設(shè)備的沖擊。而使用工頻啟動(dòng)，沖擊電流高達(dá)6~8倍;

　　? * 可以自動(dòng)按設(shè)定的多段 PLC 運(yùn)行，并具有停機(jī)記憶功能及清除記憶功能;

　　? * 通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)可實(shí)現(xiàn)更多節(jié)能;

　　4.4 結(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)對(duì)大慶油田第一采油廠東油庫(kù)四臺(tái)輸油泵通過(guò)變頻器改造分析的全面研究，英威騰Goodrive5000系列變頻器在輸油泵的應(yīng)用達(dá)到了節(jié)能的目的，提高了全廠的自動(dòng)化控制水平，改善了電機(jī)運(yùn)行性能和啟動(dòng)特性，取得了良好的直接節(jié)能收益和綜合效益。

　　通過(guò)這次成熟應(yīng)用，在大型石油石化行業(yè)中的輸油設(shè)備上采用Goodrive5000系列高壓變頻器進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化改造是切實(shí)可行的，具有良好的可操作性;能夠起到降低輸油單耗，改善系統(tǒng)運(yùn)行工況的目的。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 《Goodrive5000變頻器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)》深圳市英威騰電氣股份有限公司

　　[2] 《石油庫(kù)輸油泵變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)應(yīng)用研究》趙曉剛、戴琳

　　[3] 《高壓變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)在油田輸油泵機(jī)組上的應(yīng)用》馬明利

（轉(zhuǎn)載）