变频器在输油管道站场电机节能领域的应用

  第1章绪论

  1.1课题背景

  鲁宁输油管线(简称鲁宁线)起自山东省临邑县、终点为江苏省仪征市,纵跨山东、安徽、江苏三省19个县(市),于1978年7月建成投产。管线全长655.37km,原设计输油能力2000×104t/a,干线最高工作压力为4.2MPa,最高输油温度为70℃。
  总共创建临邑首站(油库)1座,齐河、长清、宁阳等11座,扬子分输站1座,仪征末站(油库)1座,江边截断阀室1座,阴极保护站13座,线路截断阀室5座。
  滕州、六合、睢宁三站各站原有输油泵房1座,原泵房内有DKS型并联输油泵6台。根据国家现行长输管道有关规范规定,输油首末站和压力、热力不可逾越的中间热泵站为一级负荷;其余各类站均为二级负荷。三座泵站内均设有独立变电所,变电所电源均由泵站所在地区变电站提供,各站均按双电源配备,其中滕州为35kV变电所,其余二站为6kV直供式变电所。
  根据2013年4月至2014年3月期间,在各输油泵站输油泵节流损失调查结果,以上三站年均节流损失在0.5MPa以上,为了节约能源,提高管道运行的效率,降低管输费用,在六合、滕州、睢宁输油站,分别进行加装变频调速装置,研究变频调速在实际应用中的效果。

  1.2国内外变频调速技术的应用现状

  在其他国家,伴随能源缺乏与工业化水平的提升,在石油、化工、食品等众多产业中,变频科技得到普遍使用。此处70%左右的变频率被西方国家使用,上述国家也得到了良好的经济效益。
  我国电力明显不足,节电是目前非常关键的技术方针,此外还是能源开发方式,对当前社会经济进步具有显著影响。当前,国内电工产品的耗电大概占据国内综合发电量的70%,其中石化系统年耗电量大概占据国内综合发电量的10%,因此节约电能对促进石化行业的发展具有重要意义。
  目前变频电源主流上采用静止变频装置,静止变频装置又分为交-直-交变频和交-交变频两大类,根据鲁宁线目前输油生产的特点,在鲁宁线站滕州、六合、睢宁站选用交-直-交变频装置对输油泵电机进行调速。

  1.3站场输油泵电机组变频调速节能技术研究的意义

  以管道储运有限公司南京处管辖的六合输油站、睢宁输油站及滕州输油站为例,近年来,鲁宁线输油量和输油品种都在不停地变化,在输量达不到2000万吨/年运行时或油品性差别较大时,输油泵电机往往出现不能满载运行的情况,每年仅浪费的电能一项就相当可观。全年输量是不均衡的,而且输量均在1500万吨/年以下,靠调整输油泵电机组合方案已经不能和各种输量变化的工况相匹配,只能靠调节输油泵出口阀门进行节流,这就造成了电能的巨大浪费,因此解决现阶段鲁宁线运行中电力浪费问题,提高管输效率,节约电能是鲁宁线急需解决的问题。在六合、滕州、睢宁输油站,分别加装变频调速装置,研究变频调速在实际应用中的效果。
  根据鲁宁线节能监测和节能计算结果可以看出,由于市场资源和需求的不稳定,在实际生产中节流能源损失比较严重。长此以往,不仅浪费巨大量能源,加剧能源紧张,与当今建设经济高效社会的趋势相悖,而且对输油设备影响较大,不利于安全生产,也降低了输油企业的效益。
  通过本次研究,可以在一定程度内高效调控鲁宁线的输油生产,减少能源浪费,增加设备、管线利用效率,提高企业效益。而且,增设变频系统后,优化了输油设备的启动,更加利于安全生产。因此不论从经济效益和社会效益上来看,本工程的建设是十分迫切和必要的。

  1.4本论文研究的主要内容

  本文分析属于中石化管道原油储运系统储运和电气专业,一般采用10kV或6kV变频器对站场内输油泵电机组的转速进行控制。通过在现场增设变频调速装置,实现优化输油设备的启动,提高管线及设备的利用效率,进而增加企业收益,达到节能的目标。关注以下问题:
  (1)利用理论与现实分析,确定输油泵电机组效率不高与损耗高的关键因素,且寻找合适的处理预案。
  (2)基于寻找的处理方案,利用对变频调速理论的分析,根据鲁宁线长输原油管道的运作特征,指出高效的处理方式。
  (3)利用对单泵、双泵并联、三泵并联等多种运作情况下的信息开展研究对比,确定变频调速技科技使用之前和之后的不同,得到最终结果。

  第2章变频器

  2.1变频器技术发展历史

  交流电机拖动和直流电机驱动均出现在十九世纪,到现在经历了一百多年,此外逐渐变成机械的关键驱动机构[3]。然而因为科技因素,长久以来大部分电力拖动,都不是变频调速系统用在交流电机而出现的(包含同步与异步电机)。
  因为结构因素,直流电机表现出下面的不足:
  (1)按时替换刷子与换向器。
  (2)因为出现直流电机换向火花,无法在特殊环境使用。
  (3)结构繁杂,无法生产高转速以及高电压的直流电机。
  和直流电机进行比较,交流电机具备下面的优势:
  (1)结构稳固,运作平稳,便于维护;
  (2)不会出现替代火花,可使用在各种环境中。
  (3)构造简单,便于生产大容量的交流电机。
  长久以来,专家为了让调速交流电机取代直流与交流电机的转速控制,进而开展众多分析和研发活动。然而,到七十年代,交流调速系统的研究也没有得到让人称赞的结论,甚至限制了此系统的实际使用。其中在现实工业制造中,需要全面使用调速控制的设备,比如风机、水泵的电机系统需要使用挡板与控制阀门来调整风速与流量。其不只加剧了执行复杂性,此外也导致资源的浪费。在经过二十世纪的石油危机之后,大众逐渐了解到节能的关键性,且持续加强对交流调速科技的研发。基于相关统计信息可知,工业用电损耗量不断增加。所以,上述行业具有比较大的节能空间。[4][5]
  大众开始使用多种交流电机的转速控制。频率调速器的液压耦合,因为自身综合性能好而得到普遍重视。图2.1对比众多日常使用的电机输出方式所造成的损耗。非常明显得是,变频调速与液压耦合器是提升能效的重要方式。此外在机组的负荷低,流量不大的时候,节能成效更加显著。
  转速或流量%
  Fig.2.1 Comparison of the Power Consumption of Several Used Adjustment Methods
  因为电机容量大,日常运作时在低功率因数下,应用液压耦合器时,输入电流会出现众多无功电流分量,但是在应用变频器的时候,因为变频器内部可等效准备无功补偿,逆变器输入功率,因数高,无功电流的分量不大,因此输入电流使用液压耦合模式。使用变频调速的时候,把机组缩减到额定功率的40%左右,需要最小风量是最大风量的四分之一。很明显的是,使用变频调速可以得到较好成效。
  伴随电力电子科技、微电子科技与控制观点的持续出现,功率半导体器件与微处理器的现实功能持续增多,变频调速科技也开始得到明显发展。因为控制科技在逆变技术中的普及,也导致逆变器使用功能持续增多,具体使用范畴开始扩大。当前,变频器不仅在电力传动系统内发挥影响,此外也开始延伸到工业生产的多个行业[6],主要包含空调、冰箱等小型电器。
  逆变调速主要将电力电子、微电子、控制等科技当做重要基础。且持续开展变革创新的技术。交流变频调速技术出现将近三十年,由低压变频交流调速系统构成,利用持续的创新,此系统在功能上持续增多,且开始向电驱动调速系统行业进发,最后再电力传动系统得到全面使用。高压变频科技在西方国家相对完善,伴随全新电力电子器件的研发,此外科技的持续创新,促使其得到全面使用。此技术的持续发展源自电力电子科技的创新和电力电子器件技术的持续提升,帮助此技术不断健全[7]。

  2.2变频器的工作原理

  2.2.1调速原理
  变频调速在调速时期从高速到低速始终可以维持较低转差率,所以损耗转差功率不大、效率高,是异步电动机最科学的调速方式。
  基于相关知识可知交流异步电动机的转速表达式是:
  (2.1)
  其中n——电动机转速,r/min;
  f——电源频率,Hz;
  p——电动机磁极个数;
  s——转差率。
  因此具体的调速方式主要是:
  (1)修改电源频率;
  (2)修改磁极对数;
  (3)修改转差率。
  因为异步电机转速和输入电流频率、电源频率变化是正比,因此可利用修变磁场旋转的效率,来修改改转速,上述方式被叫做“电机转速的频率控制”。其不只具备调速效果显著、精准度高等优势,此外也具有更好的静态与动态特点。当前,变频调速逐渐变成异步电动机调速的关键方式,且在大部分领域得到全面推广与使用。近期,伴随电力电子科技的持续进步,全新变速方式由于逆变电源的实现而被应用,变频调速的研发与使用开始被关注,此外也促使变频器被普遍使用[7]。
  2.2.2变频器的基本构成及工作原理
  变频器是使用半导体器件的通断功能而把工频电源转变成其他频率的电能控制设备,当前采用的变频器一般利用交—直—交模式,也就是将工频交流电源用整流器组转变成直流电源,之后将直流电源转变成电压与频率都能被管控的交流电源供给电动机。其电路通常涵盖整流、中间直流环节、逆变与控制多个部分。
  一般来说,三相变频器的重要功能是整流工频的外部电源,且准备逆变与控制电路需要的直流电源,整流电路按照其控制模式被划分成不同的类型。
  直流中间电路主要功能是平滑整流电路的输出,进而促使逆变电路与控制电源可以得到平稳的直流电源。因为电动机具有制动作用,直流中间电路很多时候也包含制动电阻和辅助电路。
  逆变电路是变频器的关键组成方面,其功能是在控制电路下,把平滑电路所输出的直流电源转变成频率与电压可随时调节的交流电源,进而完成对异步电动机的调速控制。
  控制电路的好坏影响变频器功能,主要包含主控制电路、外部接口电路和保护电路等众多方面。其功能是把检测电路得出的信号传送给运算电路。运算电路依照标准为主电路准备门极(基极)驱动信号,且利用外部接口电路接受或传送众多类型的外部信号,进而促使变频器可以和外部设施开展相应的控制操作[7]。

  2.3变频器的分类与控制方式

  2.3.1变频器的分类
  变频器类型众多,比如依照主电路工作模式划分,依照开关模式划分,依照控制模式划分,此外还能依照用途开展划分。接下来就针对上述众多划分形式开展简单叙述[20]。
  (1)基于主电路工作模式的差异,变频器被划分成电压型与电流型两类。
  ①电压型变频器。其中,逆变电路所需的直流电压需要让整流电路或斩波电路产生,在直流中间电路的电容全面平滑之后输出。[21]。
  ②电流型变频器。其中,整流电路给出的直流电流利用中间电路的电抗被平滑之后输出。整流与直流中间电路输出的直流电流在逆变电路内被转变成需要频率的交流电流。
  (2)基于开关方式开展划分。依照逆变电路的开关模式,一般被划分成下面的类型。
  1)PAM控制。主要是整流电路部分的输出电压(电流)的振幅控制,少数是控制输出频率的逆变电路的控制模式,其属于同步速度的模式。
  (2)PWM控制。是共同管控输出电压(电流)的幅值与频率的关键模式。在上述方式下,使用高频率的逆变电路为半导体开关元件开启与关闭,且利用改变输出脉宽来达到管控电压(电流)[26][27]的目标。
  高载波频率PWM控制。该方式本质上是对PWM控制模式的改善,属于减少电机运作噪声的最佳方式。在上述方式中,载波频率提高到频率(10〜20kHz),继而完成预期目标,降低噪音。
  (3)按照工作原理划分。依照具体原理开展划分的时候,可被划分成下面几个部分。
  控制变频器。控制系统的关键特点是管控变频器输出的电压与频率,且利用维持电压与频率比的值来得到需要的转矩特性。最初使用变频器大部分使用Vf控制模式。但是,因为真实电路内定子阻抗的压降,尤其是电机在低速运作时,定子阻抗的电压降无法被轻视。内部控制结构单一,然而因为变频器使用开环控制方式,其精度与动态性能并未达到最佳状态,尤其是在低速区电压调整相对艰难的时候,无法扩大转速范围。因此使用上述逆变器的控制方式通常无法达到逆变器来控制标准。等[8][23]。
  转动变频调速器。在逆变器控制模式中,电机真实转速由转速传感器装置在电机与逆变器控制电路上,最终达成控制电机转速控制目标。
  矢量控制逆变器。此控制主要理论是电流分量(励磁电流),而并非垂直出现力矩电流分量(转矩)与独立控制。
  (4)按照用途划分。变频器依照其用途开展划分的时候,可被划分成下面的种类。
  通用变频器。通用性表示变频器可以控制大部分一般异步电机。伴随变频技术的研发与现实需求的增加,通用变频器在不同方向:低费用的一般变频器与功能完善的通用变频器。
  高性能专用变频器。在矢量控制方式下,此性能齐全的交流调速系统开始替代直流伺服系统,在大部分高精度标准高的行业使用。
  高频变频器。此转换器的频率为3kHz,所以最高频率则是180000 r/分钟。
  单相与三相逆变器。交流电机被划分昵称单相交流与三相交流电机两部分。反之,逆变器被划分成单相与三相两部分。其工作模式类似,然而电路结构出现差异。
  2.3.2变频器的控制方式
  依照上述方程(2.1),对于异步电动机,利用转变电源频率,能够转变具体转速。然而对于真实的交流调速系统来说,情况并非如此简单。主要是由于当在机功率的频率改变时,其内部阻抗会出现改变,造成励磁电流变动,促使电机激励缺少或过强。在励磁缺乏的时候,电机不能给予充足的扭矩,然而在起再次饱和时,励磁过强,造成功率因数与综合效率降低。
  异步电动机具备的基本公式:
  其中,是气隙磁通感应电动势有效值,单位V;是串联匝数;是波绕组系数;是电动机气隙每极合成主磁通,单位Wb;是电流有效值,单位A;是功率因数。
  根据式(2.2)、式(2.3)我们就可以了解到,在利用改变f1完成变频调速时,电动机、、等相关物理量也会出现改变,继而作用于电动机的多种调速指标。所以,电动机在额定频率改变f1开展调速时,也需要全面管控其余有关物理量,促使调速系统使用最高效模式来达到生产标准。
  (1)基频以下近似恒转矩(U1/f1=C)的协调控制
  由于气隙磁通在定子每相绕组内的感应电动势不能开展直接测量与控制,其中电动机定子绕组的外加电压U1可直接测量与控制。重点就是怎样在基频以下调整f1和U1来完成对恒转矩(磁通)的管控。
  交流异步电动机一相等效电路参考图2.3所示。
  由图可知,与相差就是定子绕组的电阻与漏感抗上的电压降。稳态状况下,每相电压和每相感应电动势的关系是
  在定子交流电频率f1高的时候,感应电动势有效值Eg大,轻视定子绕组阻抗上的电压降I1Z1,也就是定子相电压有效值,得出定子电压和频率比值是常数的恒压频比控制式。反之,f1低的时候,根据公式(2.4)可知,感应电动势Eg有效值降低,但是I1Z1稳定,降低的Eg进行比较,定子阻抗电压降I1Z1影响变强,不能轻视。要想在低频时期使用控制模式,依照定子阻抗电压降的变动,在真实使用的时候一般利用对应的电压补偿方案,具体补偿控制的特性曲线参考图2.4所示。
  (2)基频以上保持的恒功率控制方式
  在定子绕组的交流频率是由主要频率、电机额定电压有限的时候,频率F1可持续向上调节,电机速度提升,然而无法调节电压,电压加到定子绕组必须维持额定电压不改变。所以,在F1被提高的时候,公式(2.3)表示降低会造成电磁转矩降低。频率高,磁通量降低,电磁转矩降低。值得关注的是,这个时期电磁转矩依旧超过负载扭矩TL,不然就会出现电机堵塞问题。在上述控制方式下,扭矩与转速的乘积,也就是功率PM近似不发生改变,所以上述方式一般被叫做恒定功率控制模式[22]。
  (3)变频调速的其余控制模式
  除了交流异步电动机的两种基本控制方法外,还有其他控制方法,简述如下:
  ①差频率控制模式
  在定子电流被适当管控时,主磁通总是保持不变,电磁转矩与滑移频率成正比。因此,控制传输频率可以实现对电磁转矩的控制。在适当的流量补偿下,控制方法可以实现高速控制的高精度,不需要使用速度传感器。
  ②限流控制方式
  当前限制控制模式一般使用在电机过载时期。在负荷很重或猛然增加的时候,电机频率也会变大,定子电流会提高到行程保护水平,变频器结果出现行程保护操作。为了处理上述问题,可采用电流限制控制模式,促使电机出现最大转矩。此转矩控制作用是利用调节定子电压U1与定子交流电频率F1来完成,所以依旧是控制方式。
  ③两个时代广场电压/频率控制模式
  此控制方式使用在风机、泵与其余扭矩的负荷,以及两阶方程的旋转速度。
  ④矢量控制模式
  因为交流异步电动机复杂度与参数相关性,根据电机数学模型的变频调速控制明显不足。矢量控制是针对电机参数数学模型的控制方式,可以得到更高的控制精准度与众多性能。
  ⑤直接转矩控制
  此方式主要利用磁链与转矩控制空间电压矢量PWM来明确逆变器的开关情况。

  2.4高压变频器简介

  伴随交流变频调速科技的持续进步,低压变频器凭借自身通用性、高稳定性、精准的控制与通信体系,在众多领域的扩容特性得到普遍使用[25][28]。在这个时候,因为全新电力电子设施和计算机科技的研发、全新控制观点的出现,导致高压变频器得到相应普及。其使用一般在冶金、纺织、化工等工业部分且逐渐在发电厂应用。表1-1是部分具备典型性的制造商与其内部产品[8][9]。
  表2.1具有代表性的高压变频器和功率元件
  Table 2.1 Representative of the high-voltage inverter and power components
  变频器制造商型号变频器型式功率元件最高输出电压/kV
  罗宾逊完美无谐波单元串联多电平低压IGBT 6.6
  西门子SIMOVERTMV三电平电压源型高压IGBT 6
  ABB ACS1000三电平电压源型IGCT 4.16
  罗克韦尔PowerFlex 7000电流源型SGCT 6.6
  此外包含CEGEL、EC、三菱、东芝、意大利ANSALDO等。当前,国内部分企业逐渐研发出高压变频器。

  第3章储运系统输油泵机组运行状况调研

  3.1原油储运系统公司耗能状况

  一直到2013年底,原油储运系统企业负责38条输油管线,总共长度是6562公里;大致产生了沿江、沿海、华东、华北、华南地区原油、金陵二程运输管道化的发展局面。能源损耗组成数据参考图3.1。根据2012-2015年能源损耗研究可知,其中电能消耗占总能耗比重较大。

  3.2输油泵机组配置情况统计

  原油储运系统在外输中6kV、10kV输油泵机组是重要设施,本次分析的输油站场总共包含高压输油泵机组14台套,装机综合功率是9410kW。此时,六合输油站现有5台6kV外输泵,滕州输油站现有6台6kV外输泵,睢宁输油站现有3台10kV外输泵(其基本参数见表3.2)。

  3.3运行中存在问题

  在管运输运企业内,真实运作的输油机组,由于原油输送系统提出泵机组在众多工况下运作,为达到标准,需要按时调节具体流量。当前,相关站场大部分只依赖调节泵出口阀开度。基于研究的现场多个站队运作情况,一般有下面三部分:单台泵、两台泵并联、三台泵并联运行,在输量不多的时候,泵出口阀的阀门开度低于10%。但是阀门开度太小,就导致泵出口阀的前、后来自泵管之间出现压差。如此,就会导致众多因阀门借流导致的能耗亏损,之后造成输油泵无法得到预期效果,长久运作也会导致泵机自身受损,比如:减少其维护周期、减少使用时间。六合输油站与睢宁输油站泵管压差详细信息参考表3.3与3.4所示。

  3.4节流损失理论计算

  鲁宁输油管线(简称鲁宁线)起自山东省临邑县、终点为江苏省仪征市,纵跨山东、安徽、江苏三省19个县(市),于1978年7月建成投产。管线全长655.37km,原设计输油能力2000×104t/a,干线最高工作压力为4.2MPa,最高输油温度为70℃。
  全线设置临邑首站(油库)1座,中间热泵站11座。
  滕州、六合、睢宁三站各站本身具有输油泵房1座,我们将储运系统内具备典型性的六合输油站动力设备情况当做案例开展研究。六合输油站当前输油泵机组五台。油库重点负责鲁宁线原油集输计量工作,日收油量大概4万吨。根据相关运作数据可知,每年大概有百分之七十时间运作两台,四分之一时间是1台,百分之五时间是三台泵。在上述多种运作工况下,都出现相应的泵管压差,对于上述多种运作情况,其平均压差近似是1.25 Mpa、0.72Mpa,0.45Mpa。(多种工况下输油泵出口阀门前后泵管压差详细信息参考表3.3)
  此类压差的出现,促使泵的输出能量被过度损耗,导致综合效率下降。不同状态下下单位时间内因泵出口阀节流而造成的节流亏损可依照流体流动时期伯努利方程统计(式3.1):

  3.5变频调速技术的节能原理

  根据流体力学理论可知,N(功率)=Q(流量)×H(压力),根据相关情况,假如泵的效率不变,在要求调节流量降低时,转速n可成比例降低,而此时轴输出功率N成立方关系降低。也就是泵电机耗电功率和转速近似为立方比关系,但是转速和频率是正比,因此利用变频器对转速实施调节,可达成预期目标[15]。
  基于离心泵的特性曲线(图3.2)可以了解到,在此类曲线稳定的时候,修改转速之后,其功能参数变化根据下式可知
  根据上述离心泵转速变动前后关系式我们就能知道,假如此转速出现细微下降,那么其需要的输入功率会明显下降,进而得到显著节能成效,转速降低在额定标准20%范围内的时候,其特性曲线形状和之前类似,参考图3.2在此转速从n下降成n′时,其特性曲线和之前平行,假设原本曲线是R,R与H-Q(n)相交在A点,A就是原工况点。在变频时期,其转速是n′时,其曲线是H′-Q′(n′),因为这个时候泵出口阀被全部打开,此曲线变成相对平缓的R′(n′),R′(n′)和H′-Q′(n′)交于A′点,也就是全新时期,此时Q′=Q,也就是维持离心泵排量稳定,然而泵扬程从H降低到H′,所以在确保满足输油量的时候,利用削弱离心泵扬程节省的能量是HAA′H′面积。上述就是离心输油泵变频节省资源的情况。

  3.6变频调速节能的必要性和可行性

  3.6.1变频调速的必要性
  (1)设置相关调速设备,可利用降低输油泵电机转速,把其流量与压力管控在科学范围内,让泵出口阀门在全部打开的时候,促使输油泵得到最佳工况。
  (2)利用统计六合输油站泵机组出口阀门节流亏损功率,可得到节流亏损导致明显得浪费。所以,在大功率输油泵机组上进行变频调速,可以促使设备在多种工况下顺利运作,可以全面减少出口阀门的节流亏损。此外,此装置对于泵与电机的起动过程具备相应的保护功能,可增加设施使用时间,得到间接经济收益。
  3.7.2变频调速技术的可行性
  在此装置降低输油泵转速的时候,其流量与扬程伴随转速出现或大或小的下降。对于离心泵来说,在转速降低幅度低于20%的时候,其最优工况点也会出现平行变化,泵效大致维持原样;在转速调节幅度超过20%的时候,泵效就会出现相对显著的下降。假如有电机转速是1480rpm,降低20%后,也就是1184rpm。流量从750m3/h,下降到600m3/h,更靠近最优运作排量:630m3/h,依照公式,此时泵的扬程降低到:
  在泵出口阀全部打开的是偶,泵压和管压(大概1.3Mpa)相对应。也就是去除了之前运作时期的压力差,单台泵每年可节约成本165万元。另外,因为输入功率与转速的立方是正比,那么在具体转速降低之后需要的输入功率也会出现下降。也就是:
  因此在转速下降20%时,电机输入功率下降一半,可以节省电能。

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