機泵調(diào)速技術(shù)在石油化工廠的應(yīng)用及發(fā)展

張小龍，劉 亮

（陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司延安石油化工廠，陜西延安 727406）

目前，石油化工企業(yè)機泵整體運行效率偏低，間接降低了石油化工整體生產(chǎn)效率和質(zhì)量，形成原因比較復(fù)雜，如生產(chǎn)方案與加工量發(fā)生改變，導(dǎo)致裝置運行期間承受較大壓力，影響機泵運行效率和穩(wěn)定性，甚至超負(fù)載運行，不僅能源消耗量大，還會影響機泵正常運行效率。所以，合理利用機泵調(diào)速方式，在確保機泵運行效率與穩(wěn)定的同時，有效降低能源消耗，對于石油化工企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益提升尤為關(guān)鍵。

1 機泵在石油化工中應(yīng)用

1.1 機泵應(yīng)用原理

機泵是輸送流體或使流體增壓機械，通過把原動機機械能或外部能量輸送液體，以增加液體能量。目前機泵主要有電動泵、水輪泵、單級泵和多級泵等，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

1.2 機泵在石油化工中用途

機泵作為通用性機械設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力和冶金等多個領(lǐng)域。在石油化工廠中，機泵的用途包括計量、物料輸送等多個環(huán)節(jié)。作為石油化工日常生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)備，機泵運行效率和穩(wěn)定性也決定著石油化工企業(yè)整體生產(chǎn)運行效率和質(zhì)量。

2 石油化工機泵應(yīng)用現(xiàn)狀

機泵作為石油化工廠重要基礎(chǔ)設(shè)施，不僅應(yīng)用面廣泛，并且其運行狀態(tài)也是決定石油化工廠具體運行關(guān)鍵因素，但從實際情況來看，石油化工廠機泵實際運行時，存在機泵工作效率偏低的問題，以至于影響石油化工廠整體運行效率與生產(chǎn)穩(wěn)定性，引發(fā)這一問題的主要原因分析如下。

2.1 加工量與生產(chǎn)方案改變

石油化工廠日常生產(chǎn)過程中，為確保生產(chǎn)效率與質(zhì)量，經(jīng)常出現(xiàn)加工量與生產(chǎn)方案改變，這使得實際生產(chǎn)過程中所采用機泵裝置負(fù)荷出現(xiàn)較大波動，進(jìn)而引發(fā)機泵運行效率下降，最終影響石油化工廠整體運行效率和效果。

2.2 加工量少

石油化工廠運行時，機泵裝置一般會處于低負(fù)荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)，會導(dǎo)致后路出現(xiàn)不暢通現(xiàn)象，加上石油化工廠生產(chǎn)所采用材料會隨著外界條件改變而發(fā)生變化，出現(xiàn)機泵運行效率偏低的問題。

2.3 機泵電機選擇過大

在石油化工廠設(shè)計過程中，受動力設(shè)備適用范圍廣泛影響，電機與泵過大，使機泵操作點過遠(yuǎn)，機泵運行時無法達(dá)到最佳效率狀態(tài)。機泵選擇過大，實際作業(yè)操作時，智能利用調(diào)節(jié)閥浪費，最終出現(xiàn)“大馬拉小車”問題，不僅能源消耗浪費嚴(yán)重，還會影響機泵工作效率與穩(wěn)定性。

2.4 機泵應(yīng)用問題

石油化工廠機泵一般以國產(chǎn)水泵為主，與國外泵相比，平均效率偏低，加上型號系列不全，在機泵設(shè)計選擇時，以大代小也會影響機泵運行效率。并且，石油化工廠機泵一般是在變工況情況下運行，機泵負(fù)載與平均功率偏低，影響機泵實際運行效率和穩(wěn)定性。

3 常見機泵調(diào)速方式

目前，機泵調(diào)速方式較多，大體可以分為機械調(diào)速與電氣調(diào)速兩大類。其中機械調(diào)速包括液力偶合器、ω油膜離合器等方式，而電氣調(diào)速則包括變頻調(diào)速、變極調(diào)速、串級調(diào)速與定子調(diào)壓調(diào)速。機泵調(diào)速還可以分為低效調(diào)速系統(tǒng)與高效調(diào)速系統(tǒng)，低效調(diào)速系統(tǒng)主要是通過調(diào)速轉(zhuǎn)差功率利用發(fā)熱方式消耗，但存在不能回收和效率低等問題，而高效調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速模式，不僅無附加轉(zhuǎn)差損耗，并且調(diào)速效率也比較高。常見機泵調(diào)速方式總結(jié)分析如下。

3.1 液力偶合器調(diào)速

液力偶合器調(diào)速是一種以液體為介質(zhì)傳遞功率的液力傳動裝置，改變工作腔內(nèi)部液體充油度，在不影響動機轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)上，實現(xiàn)驅(qū)動機械無級調(diào)速。

在實際應(yīng)用時，液力偶合器調(diào)速應(yīng)用優(yōu)勢明顯，不僅運行穩(wěn)定、適用范圍廣，并且調(diào)速范圍廣、功率因數(shù)高。液力偶合器調(diào)速在大功率異步電機應(yīng)用時，經(jīng)濟(jì)性和安全性更高。

但其缺點也比較明顯，應(yīng)用時存在速度損失，不能實現(xiàn)全速運行，一旦調(diào)速時發(fā)生故障會引發(fā)機泵運行隱患。調(diào)速后實踐較差，調(diào)速效率會隨著轉(zhuǎn)速急劇下降，使得后續(xù)維修保養(yǎng)困難，強烈振動影響機泵運行效率。

3.2 ω油膜離合器調(diào)速

ω油膜離合器調(diào)速與液力偶合器調(diào)速性能接近，是20世紀(jì)70～80年代研制的調(diào)速裝置之一，但ω油膜離合器的體積更小、售價更低、運行也更加可靠，不僅能實現(xiàn)自動化控制，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)勢也更明顯，并且調(diào)速范圍比液力偶合器更寬，具有較高功率因素，也不會產(chǎn)生高次諧波與電網(wǎng)污染，在機泵調(diào)速時，可以優(yōu)先選用ω油膜離合器進(jìn)行調(diào)速。

3.3 變頻調(diào)速

變頻調(diào)速主要是通過電源恒壓、恒頻電能經(jīng)整流逆變等方式，把電壓頻率可調(diào)節(jié)電能提供給機泵調(diào)速應(yīng)用，以此實現(xiàn)機泵調(diào)速的目的和效果。

變頻調(diào)速性能優(yōu)勢不僅可以實現(xiàn)無級調(diào)速，并且調(diào)速范圍更寬、調(diào)速精度也比較高。而且變頻調(diào)速啟動電流比較小，不會對電網(wǎng)造成沖擊，可以減少配電裝置容量，加上功率因數(shù)高優(yōu)勢，不需要再另加電容補償，具有反應(yīng)靈敏快速、自動化生產(chǎn)實現(xiàn)容易、調(diào)控容易、操作簡單和維護(hù)保養(yǎng)簡單等優(yōu)勢[1]。但其應(yīng)用劣勢也比較明顯，其技術(shù)復(fù)雜、初期建設(shè)投資高和對電網(wǎng)有干擾等，在實際選擇時需要提起重視。

3.4 變極調(diào)速

變極調(diào)速應(yīng)用時限制比較明顯，只能用于不連續(xù)、成比例機泵速度改變，初期投資比較低，維修保養(yǎng)方便，節(jié)能效果好，可靠性強優(yōu)勢，變極調(diào)速一般需和其他調(diào)節(jié)方式相配合，常用于流量調(diào)節(jié)范圍較寬的場合。如變極調(diào)速可與節(jié)流調(diào)節(jié)、入口導(dǎo)流器調(diào)節(jié)、液力偶合器等可連續(xù)調(diào)速的調(diào)節(jié)方式相組合進(jìn)行聯(lián)合調(diào)節(jié)。

3.5 電磁滑差調(diào)速

電磁滑差調(diào)速主要利用電磁滑差離合器在電機與負(fù)載之間進(jìn)行轉(zhuǎn)矩傳遞，在改變勵磁電流的同時帶動離合器滑差，以此實現(xiàn)生產(chǎn)機泵轉(zhuǎn)速改變。這種調(diào)速方式調(diào)速范圍在20%～97%，加上初期投入成本低、技術(shù)水平掌握簡單等優(yōu)勢，在長期、高速與短期、低速運行工況都比較適用。但從電磁滑差離合器調(diào)速應(yīng)用現(xiàn)狀來看，受工況與其他條件影響，電磁滑差離合器應(yīng)用并不多。

3.6 串級調(diào)速

串級調(diào)速主要通過電源恒壓、恒頻電能傳送電機定子，以此把轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率經(jīng)整流逆變后轉(zhuǎn)變?yōu)楹銐?、恒頻電能反饋回電網(wǎng)，以此實現(xiàn)機泵調(diào)速。

串級調(diào)速優(yōu)勢在運行效率高，一般可以保證在90%左右，適用于流量變化范圍70%～95%的大、中容量負(fù)載調(diào)速。但其劣勢也比較明顯，串級調(diào)速只適用于繞線式異步電機，對于市面比較常見鼠籠型電機和同步電機則不適用，并且到容量電機中應(yīng)用時，運行不可靠因素也比較大，加上功率因數(shù)低、電網(wǎng)干擾大與維護(hù)保養(yǎng)困難等問題，應(yīng)用串級調(diào)速需要慎重。

3.7 定子調(diào)壓調(diào)速

定子調(diào)壓速通過把轉(zhuǎn)差損耗消耗在電機轉(zhuǎn)子上實現(xiàn)機泵調(diào)速，但是由于轉(zhuǎn)子發(fā)熱問題，機泵容量不能太大，還需要配合可控硅進(jìn)行調(diào)速，并且隨著速度的下降，電機諧波損耗也會增加，所以這一調(diào)速方式只適用于流量變化范圍比較小的部分，但其技術(shù)成熟、設(shè)備簡單、投資小和操作使用保養(yǎng)維護(hù)簡單優(yōu)勢，在小型機泵調(diào)速中應(yīng)用明顯。

3.8 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速

轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，通過繞線式異步電機轉(zhuǎn)子回路中傳入合適電阻，在改變啟動轉(zhuǎn)矩大小的同時，對機泵機械特性進(jìn)行同步改變。

轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速優(yōu)勢在于可靠性高、原理性能簡單、調(diào)速范圍廣泛、為電機全速運行提供基礎(chǔ)、不產(chǎn)生高次諧波與電網(wǎng)干擾、功率因素高和維護(hù)保養(yǎng)簡單優(yōu)勢，在機泵調(diào)速中應(yīng)用優(yōu)勢明顯。但實際調(diào)速時啟動轉(zhuǎn)矩比較大，加上故障處理需要停車、節(jié)能效果差等劣勢，在實際選擇時需要加強注意。

4 機泵調(diào)速技術(shù)在石油化工廠中應(yīng)用思路

4.1 依托自身實際，選擇合理調(diào)速技術(shù)

目前機泵調(diào)速方式有很多，但具體選用那種調(diào)速方式，就需要依托自身實際進(jìn)行選擇，以確保機泵調(diào)速方式選擇科學(xué)合理。參考設(shè)備投資規(guī)模、電機負(fù)載類型、容量大小、運行效率、功率因數(shù)、設(shè)備可靠性、維修難度、節(jié)能效果、調(diào)速范圍和機械控制性能等多項指標(biāo)進(jìn)行綜合考量，而不是功能越先進(jìn)或投資越少等單一指標(biāo)進(jìn)行考量，需要從技術(shù)發(fā)展角度入手，在綜合全面考量基礎(chǔ)上，實現(xiàn)機泵調(diào)速科學(xué)合理。

首先，要對石油化工廠機泵現(xiàn)狀進(jìn)行分析，通過對石油化工廠現(xiàn)有基本情況進(jìn)行了解，包括對設(shè)備投資規(guī)模、電機負(fù)載類型、容量大小、運行效率、功率因數(shù)等多個方面信息進(jìn)行收集，并形成總結(jié)歸納，同時對收集信息數(shù)據(jù)進(jìn)行全面科學(xué)分析，得出機泵調(diào)速實際需求和目標(biāo)，為后續(xù)機泵調(diào)速方式選擇提供基礎(chǔ)。其次，從自身維修能力與維修水平入手，在了解自身維修能力基礎(chǔ)上，結(jié)合節(jié)能需求目標(biāo)，從而形成自身基礎(chǔ)分析，為后續(xù)機泵調(diào)速選擇提供良好基礎(chǔ)，確保后續(xù)機泵調(diào)速方式選擇合理性與有效性。最后，基于上述常見調(diào)速方式分析，從其適用范圍、性能特點與技術(shù)發(fā)展目標(biāo)等多個方面進(jìn)行考慮，形成針對性機泵調(diào)速方式選擇，確保后續(xù)機泵調(diào)速方式科學(xué)合理，強化石油化工廠生產(chǎn)運行經(jīng)濟(jì)效益。如當(dāng)流量在額定流量90%以上變化時，調(diào)速方式一般不采取調(diào)速裝置的方式，應(yīng)該以電機效率提升為主，以此確保機泵調(diào)速獲得良好的節(jié)能效果，避免流量過大時使用調(diào)速裝置出現(xiàn)不必要能量損耗；而石油化工廠非防爆場所則可以使用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，但煉油裝置則不能采用；液力偶合器與ω油膜離合器作為兩種比較成熟的機械調(diào)速方式，在實際選擇應(yīng)用時，應(yīng)該從節(jié)能角度入手，當(dāng)原油加工量變化比較大時、大型機泵處于低負(fù)荷時，則適用于機械調(diào)速方式，而液力偶合器與ω油膜離合器相比，ω油膜離合器調(diào)速優(yōu)勢更為明顯；串級調(diào)速應(yīng)用時，實際使用時需要利用繞線式電機，加上設(shè)備改造時使用不便，所以在石油化工廠防爆場所不宜使用；變頻調(diào)速主要適用于石化系統(tǒng)中大量鼠籠型異步電機改造，在低轉(zhuǎn)速區(qū)域運行或啟停頻繁機泵方面應(yīng)用節(jié)電性能更佳，加上設(shè)備運行周期長等優(yōu)勢，在實際選擇時進(jìn)行放心選擇，但實際使用時會給生產(chǎn)操作帶來不便，所以需要進(jìn)行針對性考量，以此避免出現(xiàn)機泵調(diào)速不合理問題[3]。

4.2 多種調(diào)速方式綜合利用

機泵設(shè)備作為石油化工廠基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施，在石油化工廠中應(yīng)用方向很多，并且，受應(yīng)用方向不同，機泵設(shè)備所選取類型也不同，所以單一調(diào)速方式選擇并不適用于石油化工廠機泵調(diào)速方案，所以，實際對機泵調(diào)速技術(shù)在石油化工廠中應(yīng)用進(jìn)行分析時，可以通過多種調(diào)速方式綜合利用的方式，以此確保石油化工廠機泵調(diào)速技術(shù)體系科學(xué)合理，在降低能耗的同時，實現(xiàn)機泵工作效率調(diào)整，有效提升機泵經(jīng)濟(jì)效益。

針對石油化工廠機泵實際規(guī)格類型，設(shè)置多種調(diào)速方式并存的機泵調(diào)速技術(shù)體系，以滿足石油化工廠調(diào)速需求的同時，強化機泵調(diào)速的效率和效果。如液力偶合器調(diào)速可以應(yīng)用于石油化工廠輸油泵電機中，在滿足原油流量被動要求的同時，強化機泵調(diào)速后節(jié)能效果；而ω油膜離合器調(diào)速則應(yīng)用于石油化工廠PVA泵房，在大泵全輸出工況下進(jìn)行調(diào)速節(jié)能，強化機泵運行效率和效果的同時，實現(xiàn)機泵調(diào)速節(jié)能效果；變頻調(diào)速則可應(yīng)用于煉油廠酮苯脫蠟裝置回收系統(tǒng)機泵中，在利用變頻調(diào)速后，不僅可以強化機泵工況與系統(tǒng)參數(shù)，并且其電機實際負(fù)荷與能源損耗也得到了大幅度降低，對于機泵穩(wěn)定運行具有良好效果；變極調(diào)速則主要適用于泵站JS128-6電機，在降低機泵能耗與供水單耗同時，強化泵站電機運行效率與穩(wěn)定性；定子調(diào)壓調(diào)速則可應(yīng)用于石油化工廠小型電機之中，利用其設(shè)備簡單、投資損耗小優(yōu)勢，強化機泵調(diào)速質(zhì)量和效果。

4.3 交流調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)建

石油化工廠中機泵調(diào)速除了常見基礎(chǔ)調(diào)速方式外，還可以從新型電子信息技術(shù)調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)建入手，在強化機泵調(diào)速效率效果的同時，強化機泵調(diào)速現(xiàn)代化水平。而交流調(diào)速作為新興調(diào)速方式之一，其主要以通信系統(tǒng)調(diào)制技術(shù)為基礎(chǔ)，是現(xiàn)代機泵調(diào)速典型代表。

首先，以電力電子器件為主，通過智能模塊IPM電力電子掐尖使用形成變頻調(diào)速裝置，不僅可以強化調(diào)速質(zhì)量，并且其性價比優(yōu)勢，還可以滿足石油化工企業(yè)機泵變頻節(jié)能目標(biāo)，對于促進(jìn)機泵調(diào)速信息化水平強化具有良好效果。其次，利用脈寬調(diào)制技術(shù)對變頻裝置性能進(jìn)行優(yōu)化完善，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中加入脈寬調(diào)制技術(shù)，不僅可以及時準(zhǔn)確實現(xiàn)變壓變頻控制要求，還可以對逆變器輸出電壓、電流中諧波分量進(jìn)行控制，降低變頻調(diào)速電機轉(zhuǎn)矩脈動，在強化蹦極工作效率的同時，拓展機泵調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍。然后，從矢量變化控制技術(shù)與直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應(yīng)用入手，在定向轉(zhuǎn)子磁通基礎(chǔ)上，對交流電動機控制進(jìn)行優(yōu)化，不僅調(diào)速控制效果更佳，并且機泵調(diào)速后節(jié)能效果也更好，而且隨著科技進(jìn)步發(fā)展，除了矢量變化控制技術(shù)與直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)融入以外，還可以通過多變量解耦控制或變結(jié)構(gòu)滑?？刂频确绞綄ψ冾l調(diào)速進(jìn)行優(yōu)化，以此強化石油化工廠機泵調(diào)速質(zhì)量與效果。最后，通過微型計算機控制技術(shù)融入的方式，在構(gòu)建交流調(diào)速系統(tǒng)時，通過微型計算機控制技術(shù)的融入，強化交流調(diào)速系統(tǒng)可靠性與操作設(shè)備多樣化、靈活性，在降低變頻調(diào)速裝置體積與投資成本的同時，實現(xiàn)良好機泵調(diào)速效率和效果。并且，通過單片機、數(shù)字信號處理器、精簡指令集計算機合理應(yīng)用，促進(jìn)模擬控制向數(shù)字控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的同時，強化機泵調(diào)速優(yōu)化發(fā)展。不僅如此，在交流調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)建時，還可以加強面非線性解耦控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)控制、模糊控制等新興控制策略的應(yīng)用融入，以強化交流調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)建質(zhì)量水平，推動石油化工廠機泵調(diào)速整體質(zhì)量效果優(yōu)化。

5 結(jié)語

目前，機泵調(diào)速方式較多，每種調(diào)速方式優(yōu)勢與技術(shù)特點也有所不同，在實際應(yīng)用發(fā)展時，應(yīng)該針對石油化工廠機泵實際情況與機泵調(diào)速需求進(jìn)行綜合考量，在確保調(diào)速效率與節(jié)能效果的同時，強化石油化工廠機泵實際運行效率與質(zhì)量，促進(jìn)石油化工廠及經(jīng)濟(jì)效益提升。