输油泵节能监测的计算方法与变频技术分析慕栋

输油泵节能监测的计算方法与变频技术分析慕栋

慕栋

慕栋

中国石化集团管道储运有限公司机关企管处招标办公室江苏徐州221008

摘要：本文阐述了输油泵效率温差测试法的计算原理，并给出了计算方法。该方法以热力学能量守恒和转换原理为基础，根据焓是状态参数的特性计算输油泵机组的效率。特别是对于变频输油泵现场测试过程中电动机输出功率受无法直接测得等问题，使用该方法均可以得到很好的解决，通过这个方法结合并必要的测试参数，能够快速、准确计算包括变频输油泵机组在内输油泵机组的效率。

关键词：节能监测；输油泵；温差法

在实际生产运行中，输油泵是管道储运的关键设备，是输油站的主要耗能设备。对于没有采用变频装置的输油泵机组在实际测试中优先使用流量法测试，当在现场条件不允许的情况下使用温差法。以前在变频输油泵机组现场测试过程中通常采用比例定律计算，但是误差较大。变频输油泵现场监测的主要困难在于电动机输出功率受现场影响无法直接测得。而过泵温差法很好的解决了这个问题。

一、简述温差测试方法

输油泵温差法基于热力学第一定律，根据输油泵进出口的特征参数，列出流体过泵开口系统的能量关系，分析可知，泵的轴功率N与泵进出口的比焓差、动能差、位能差、质量流量及泵对外界的换热功率有关［1］。

焓是一个状态参数，其基本性质表现为，在任意平衡状态下，焓值与达到这一状态的路径无关[2]。计算中将实际焓差过程表示为两部分，即等熵过程与定压过程。其中泵的等熵功率就是泵的有效功率，泵效率计算公式如下：

（1）

公式中：b为变频调速下输油泵的效率，%；H为扬程，m；Δt0为等压温升，是泵进出口温差Δt与等熵温升Δts之差，℃；是输油泵所输送原油的平均定压热容，kJ/（kg·K）；q是输送原油的质量流量，kg/s。

在常温条件下，泵体与环境的换热功率和泵的轴功率成反比，所占比例很小，对于10kW以上的泵机组效率计算的影响很小。因此，在常温泵的效率测试中可以将泵体与环境的换热功率忽略不计，则泵效率的计算公式可以表示为：

（2）

对于输油泵而言，等熵温升可用泵进出口压差与原油等熵压缩温升系数的乘积表示：

（3）

则公式（2）可以表示为：

（4）

公式中：Sp为输油泵所输送原油的等熵压缩温升系数，oC/MPa；ΔP为输油泵进出口压力差，MPa。

另一方面需要指出的是，一般情况下通常优先使用正平衡法测试，当现场不具备正平衡测试条件的情况下使用反平衡法。

不确定度是由于测量误差的存在，对被测量值的不能肯定的程度，也表明该结果的可信赖程度，它是测量结果质量的指标。在报告物理量测量的结果时，必须给出相应的不确定度，一方面便于使用它的人评定其可靠性，另一方面也增强了测量结果之间的可比性。一般测试中存在各种不确定因素，只有测量数据附带有不确定度的说明才是有意义的。

不确定度是表征合理的赋予被测量之值的分散性与测量结果相联系的参数。不确定度评定分为A类和B类，用统计分析的方法来评定标准不确定度，实验室测定的重复性不确定度可以用来计算与重复性有关的合成标准不确定度，即A类不确定度；用不同于对观测列进行统计分析的方法来评定标准不确定度，称为不确定度B类评定。测量不确定度用标准偏差表示时称为标准不确定度；当测量结果是由若干个其他量的值求得时，按其他各量的方差和协方差算得的标准不确定度，称为合成标准不确定度[2]。

对输油泵效率测试结果进行不确定度分析，可考察测试结果的可靠程度。

影响输油泵效率不确定度分量有电流、电压、进出口温差和进出口压力，进出口压力p1、p2使用高精度压力表测试，进出口温差Δt使用泵效测试仪测得，电流和电压由3166电力品质分析仪测得，电流、电压由同一台仪器测得所以两者存在相关性，两者的相关系数r按下式计算

（7）

其中（8）

式中，r（U，I）为U与I的协方差；为电压测量引起的标准不确定度；为电流测量引起的标准不确定度；为电压平均值，UK为第K次电压测量值，kV；为电流平均值，IK为第K次电流测量值，A。n为测量总次数；下标K表示测量总数中第K次测量。

由文献[10]中合成标准不确定计算公式可得公式如下：

（9）

式中：为效率的不确定度；为输入量电压的灵敏系数；为输入量电流的灵敏系数；为输入量进出口温差的灵敏系数；为温差测量引起的标准不确定度；为输入量出口压力的灵敏系数；为输入量入口压力的灵敏系数；为进口压力测量引起的标准不确定度；为出口压力测量引起的标准不确定度。

由式（6）对各分量求偏导数可得到灵敏系数，当各相关参数取得后，计算效率各分量的不确定度可通过A类、B类评定方法求得，合成标准不确定度可以通过式（9）求得。

二、工频输油泵机组测试法

工频输油泵测试法就是输油泵反平衡测试方法。由文献[3]可知，使用压力表、标准温度测试输油泵的进出口压力和温度，再通过公式（4）可直接计算输油泵的效率。使用电力品质分析仪测试电流、电压、功率以及功率因数等参数，使用测得的参数计算电动机的负载率，以及电动机效率和泵机组效率。

三、变频输油泵机组测试法

首先谈一下变频节能技术，它可以起到稳定和节约运输费用的效果，变频调速器的应用可以有效保护电机及机械设备不受短路、过压、欠压等状况的影响，从而最大程度化的降低电能消耗，提高输油泵的给工作效率。从长远角度来说，变频器的使用不仅可以为企业减少成本，还可以为企业节约相当一部分的电能，对电动机的长期使用也起到了维护作用，企业应该对变频节能技术做到足够的重视，延长电机的使用寿命。

虽然变频技术的调速范围很大，但是其仍然居偶遇一定的局限性。当运行工况和管路运行曲线同时发生变化使得与调速泵同时并列运行的定速泵会对变频器的调速范围起到一定的影响，当调速范围一旦发生变化，变频效果将会大打折扣，变频节能技术将会达不到之前的节能效果，降低输油泵电机的工作效率，在工况相似的情况下，电机转速降低的话，轴功率也会急速下降。若电机的输出功率变化过大或者严重偏移额定功率，则电机的工作效率会急速下降，变频节能效果也会达不到预期的效果，电机的使用寿命和周期得不到应有的维护。

变频节能技术是将现代电子技术与计算机技术基于一身的高效节能技术，随着科学技术的快速发展，变频节能技术已经日趋完善，变频节能技术也得到了更加广泛的应用。当原油在低压环境下时，输油泵作为原油运输的桥梁，输油泵可以向喷油泵输送足够压力和质量的原油，离心泵依靠旋转叶轮的力量把原动机的机械能传递给液体。通常运用两种方法对进入和排出输油泵的原油流量进行调节，一种是通过对离心泵内部的叶轮的转速进行调节可以控制原油流量的大小，转速增加则原油流量增多，转速减小则原油流量减少，一种是通过对离心泵的阀门开口大小进行调节来控制原油的流量，阀门开口大则原油流量增大，阀门开口小则原油流量减小。第二种方式具有操作简单的优点，，其缺点是由于要不断的对阀门开口大小进行调节，在此过程中容易造成资源浪费，这与我国倡导节约环保的绿色宗旨不符，因此在实际应用中并没有得到广泛的应用。第一种方式中原油输送是通过对离心泵的内部叶轮来调节完成的，也就是说输油泵的输油量的调节是通过叶轮的转速来进行变频调节的，并没有造成能源浪费的现象，因此这种方式对于节能减排、技术改造具有很大的推动作用。

很多公司在安装变频器之后都可以利用设备对输油泵进行调节，从而达到对输油泵进行变频调速的效果，变频器设备具备功能多样化的特点，结构简单，有很强的节能效果，对于输油泵的电机也有很强的保护作用，有利于延长输油泵电机的使用寿命和使用周期。变频器通过调节输油泵电机的电源可以对电机进行调速，是原来的电机转速、流量、额定功率等都根据工作实际情况发生自动化的变化。变频器的应用使得输油泵的电机转速得到了自动化的调节，电机使用寿命得到了延长，达到了节约能源的效果，输油泵电机的工作效率也得到了提升。

在安装变频器之后，通过安装前后的数据对比分析，输油泵的输油耗比之间有所降低，根据数据对比分析，计算好节约的油量和油量单价，一年之后节约的油成本就可以支付一个变频器的价格，使用变频器之后，长此以往，输油泵节约的成本就会越来越多。另外，变频器可以起到自动调节变速的效果，在这方面来说，这不仅降低了工作人员的工作强度，提升了油量调节的稳定性，对员工的工作环境也起到了改善作用，有利于提升工作人员的积极性，对于企业经济效益的提升也有很大的好处。因此，安装变频器，引进变频节能技术不仅在节能减排，节约能源方面起到了很大的助力作用，对于输油泵输油量的稳定进行和企业经济效益的提升都具有推动作用。

在长输管道中，输油泵是系统的主要生产环节，也是整个系统的用电大户，对其进行节能改造是非常必要的，当前采用的主要方法是采用变频调速技术实现节能减排，运用变频器来改变输油泵电动机公路，改变输油泵运行效能，实现良好的节能效果。与阀门调节方法相比，变频调速技术最大的优点是操作方便、节能效果好，能有效节省损失，并减少输油泵机组之间的相互冲击、磨损以及噪音，达到延长输油泵机组使用寿命的效果，延长其保养周期。

变频节能控制以其优异的调速、起动和制动性能，高效率、高功率因数、良好的节电效果及广泛的适用范围等优点，被国外公认为是最有发展前途的调速方式。国外大型输油泵普遍采用电机调速控制，节电率达40％，节能效果十分显著［4］。

变频电动机输出功率受现场实际操作限制，无法直接获取。采用比例定律对输油泵轴功率进行估算，计算结果通常偏小，甚至失误；采用变频公式对变频电动机输出功率进行计算，由于所需参数获取困难而受限［5］。本论文基于现已存在的输油泵能效测试方法提出了变频输油泵机组微温差计算法，该方法以热力学能量守恒和转换原理为基础，分析原油流经输油泵时所产生的温升过程，根据焓到达这一状态与路径无关的特性等效原油流经输油泵的实际状态，计算输油泵效率；在现场测取原油流量的基础上计算输油泵输出功率，进而计算输油泵轴功率即电动机的输出功率，从而得到变频电动机效率与整个变频泵机组效率；并据此制定出变频输油泵机组能效测试方法。

1.变频输油泵效率

变频输油泵效率就是输油泵所输流体获得的能量（即输油泵输出功率）与输油泵输入功率（即输油泵轴功率）的比值，则输油泵效率计算如下[3-5]：

（5）

Pbc为变频调速下输油泵输出端功率，kW；Pbr为变频调速下输油泵输入端功率，kW；b为输油泵的效率，%。

2.变频调速下输油泵输出功率的计算

变频调速下输油泵输出功率的计算与工频运行下输油泵输出功率的计算方法一致，如式（6）：

（6）

ρ为在输油泵所输送原油的标准密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2，一般取常数9.8；H为所输送原油流经输油泵时所获得的扬程/能头，m；Q为所输送原油流经输油泵时实测体积流量，m3/s。

原油流经输油泵时所获得的扬程/能头计算如式（7）：

（7）

P1、P2为变频调速下输油泵进出口测点处压力，MPa；Z1、Z2为变频调速下输油泵进出口测点处的压力表安装高度，m；V1、V2为变频调速下输油泵进出口测点处的液体平均流速，m/s；

在输油泵进出口压力高度差与进出口介质流速可以忽略不计的情况下输油泵的输出功率可以表示为：

（8）

3.变频调速下电动机的输出功率

对于变频输油泵机组变频电动机的输出功率PVF与变频调速下输油泵输入功率Pbr相等，则根据式（4）有：

（9）

变频调速下输油泵输出功率按式（8）计算，输油泵效率按式（4）计算，将计算结果带入式（9）可计算出变频输油泵输入功率；

4.电动机输入功率Pr，可由公式：

（10）

U为电动机负载电压，kW；I为电动机负载电流，A；为电动机功率因数。

5.变频输油泵机组效率

计算变频泵机组效率：

（11）

其中，η为变频输油泵机组效率。

6.现场测试及结果

在某输油站现场测试中，使用微温差法计算变频输油泵效率，测试数据和分析计算结果如表1和表2：

表1输油泵现场数据

参考文献：

[1]朱复中，泵特性的微温差法测试技术研究[J]，华东化工学院学报，1985，11（2）177-184

[2]沈维道，蒋智敏，童钧耕，工程热力学[M]北京：高等教育出版社，2001：33

[3]国家技术监督局GB/T16666-2012泵类及液体输送系统节能监测方法[S]北京：中国标准出版社2012

[4]国家标准化委员会GB/T1032-2005三相异步电动机实验方法[S]北京：中国标准出版社2005

[5]刘梦军，王振国，陈雨生等，泵机组液体输送系统的节能监测与计算[J]，资源节约与环保，2009（4）：43-43