1、開題報告油氣儲運工程油庫輸油離心泵機組變頻調速節能研究一、綜述本課題國內外研究動態，說明選題的依據和意義從20世紀20年代起，低速的、流量受到很大限制的活塞離心泵逐漸被高速 的離心離心泵和回轉離心泵所代替。但是在高壓小流量領域往復離心泵仍占有主 要地位。直到19世紀末，高速電動機的發明使離心離心泵獲得理想動力源之后, 它的優越性才得以充分發揮。在英國的雷諾和德國的普夫萊德雷爾等許多學者的 理論研究和實踐的基礎上，離心泵的效率大大提高，它的性能范圍和使用領域也 日益擴大，已成為現代應用最廣、產量最大的離心泵。在現代社會，能源是發展國民經濟、改善人類生活水平的重要物質基礎。隨 著我國經濟的高速發展

2、和全球能源的日益減少，節約能源已成為人們關注的焦點。 泵類產品屬于流體機械，在泵啟動時，電機的瞬間電流會比額定高出5-6倍，這 樣，不但會影響電機的使用壽命，而且也消耗較多的電量。雖然系統在設計時在 電機選型上會留有一定的余量，不過，電機的速度是固定不變，在實際使用過程 中，卻有時要求電機以較低或者較高的速度運行，因此進行變頻改造是非常有必 要的。而在目前來看，在離心泵上應用變頻器來達到調速節能的目的，是一個比較 切實可行的方法。變頻器產生的最初用途是速度控制，但是經過多代科學人員的 努力，變頻器已經成為一個比較成熟的產品，它作為一種自動化程度非常高的電 子調速設備，具有調速范圍廣，速度穩定，

3、精度高，能實現自動控制，操作方便, 已經成為其他調速設備的無法可比的產品，廣泛地應用于各行各業。變頻器在運 行中可實現電機軟啟動、通過改變設備輸入電壓頻率達到節能調速的目的，而且 能給設備提供過流、過壓、過載等保護功能。所以，目前在國內應用變頻技術較多的都是一些想要節能的地方。中國是能 耗大國，能源利用率很低，而能源儲備不足。在2003年的中國電力消耗中,6070% 為動力電，而在總容量為5. 8億千瓦的電動機總容量中，只有不到2000萬千瓦 的電動機是帶變頻控制的。據分析，在中國，帶變動負載、具有節能潛力的電機 至少有1. 8億千瓦。因此國家大力提倡節能措施，并著重推薦了變頻調速技術。應用變

4、頻調速，可以大大提高電機轉速的控制精度，使電機在最節能的轉速 下運行。以風機水泵為例，根據流體力學原理，軸功率與轉速的三次方成正比。 當所需風量減少，風機轉速降低時，其功率按轉速的三次方下降。因此，精確調 速的節電效果非?？捎^。與此類似，許多變動負載電機一般按最大需求來生產電 動機的容量，故設計裕量偏大。而在實際運行中，輕載運行的時間所占比例卻非 常高。如采用變頻調速，可大大提高輕載運行時的工作效率。因此，變動負載的 節能潛力巨大。作為節能目的，變頻器廣泛應用于各行業。以電力行業為例，由于中國大面 積缺電，電力投資將持續增長，同時，國家電改方案對電廠的成本控制提出了要 求，降低內部電耗成為電廠

5、關注焦點，因此變頻器在電力行業有著巨大的發展潛 力，尤其是高壓變頻器和大功率變頻器。其實，不管是在電力行業，還是在石油 化工行業中，一直都有著這樣的一個追求，就是能夠更好的應用變頻器的變頻技 術，使得機器能夠運行在一個更加環保、節能和高效的工況點下。近10年來，隨著科學技術的高速發展，產生了很多的科研成果和高水平的機 械加工設備，對泵類產品的節能工作是非常有利的。而在眾多的技術改善的方面 中，調節轉速的節能方法是具有良好的節能效果的，這已被許多國內外生產實踐 所證明。在許多泵的應用場合，有時需要泵的性能參數恒定不變，有時需要泵的 性能參數根據使用條件進行變化，調節轉速就可以達到這一目的，而變頻

6、技術的 應用，就能夠很好的解決這個問題。變頻調速這一技術正越來越廣泛的深入到各個行業中，其中就有油庫行業的 變頻研究，它具有節能、省力、易于構成自控系統的顯著優勢。應用變頻調速技 術同時也是改造挖潛、增加效益的一條有效途徑，尤其是在高能耗、低產出的設 備較多的企業，比如是在油庫、加油站、油輪碼頭等采用變頻調速裝置將使這些 企業獲得巨大的經濟利益。同時，這也是我國國民經濟可持續發展的一個需要?；诖?，本人將此課題作為研究內容。通過對某一具體油庫泵房離心泵的工 況數據的分析，根據現有方法和資料進行油泵站輸油離心泵的變頻調速節能研究, 使得油庫輸油泵的成本運行控制，有一定的參考價值。二、研究的基本內

7、容，擬解決的主要問題：（-）研究的基本內容1 .對離心泵的運行工況相關原理作一介紹。2 .對目前油庫輸油離心泵應用變頻調速節能技術的研究作一分析。3 .變頻離心泵的應用前景及存在的問題。(二)擬解決的主要問題1 .通過對某一具體油庫輸油泵的調研，分析輸油泵的運行狀況，在參考其它 同類研究的基礎之上，選擇有效的油庫泵站輸油泵運行的節能措施，改進其研究 方法。2 .通過油庫輸油泵(離心泵)變頻調速的研究，發現現有的離心泵運行過程 中存在的一些問題并努力解決之。3 .通過上述的研究能夠使得現有的離心泵運行能夠更好的適應節能和穩定 運行的工作環境。三、研究步驟、方法及措施：L通過查找資料，分析資料確定

8、選題范圍及論文題目。4 .通過指導老師指導，結合調研和資料整理分析、撰寫開題報告、外文翻譯 和文獻綜述。5 .根據開題報告寫作思路草擬論文提綱。6 .根據論文提綱進一步查找資料，撰寫論文初稿。7 .根據論文初稿，收集的資料，修改成稿。四、參考文獻1石油庫設計規范(GB50074-2002) M.北京：中國計劃出版社,20032聶世全.離心泵機組變頻調速節能運行穩定性規律J.河北：油氣儲運.2001, (08):44-603郭德有，胡文.離心泵轉速最佳調節系統的研究J.黑龍江商學院學報(自然 科學版).1987, (01) :26-334邱明杰.離心泵節能技術工作的改進措施措.江蘇：排灌機械.2

9、007, (05): 65-685張愛蓮，楊紀云，周南.離心泵調速節能工藝的理論分析與應用J.河北：油氣儲運.2000, (10) :38-606林猛.離心泵調節方式與能耗分析與.沈陽：當代化工.2007, (04):371-376 7伍年青，蓋學輝，于景龍.不同工況條件下離心泵調速運行的節能分析J.北京：石油機械.2000, (07):40-708楊曉珍，裴毅，謝方平，等.離心泵調速運行節能效果試驗J.湖南農業大學學報(自然科學版).2005, (05) : 88-909 J. Lapelk and R. Huzllk； Electrical Drives for Special Types

10、 of Pumps:AReview ； 2010, Recent Advances in Mechatronics, Part 4, Pages 293-29710 A. V. Potashev, E. V. Potasheva and A. V. Rubinovskii； Chemical andPetroleum Engineering, 2002, Volume 38, Numbers 7-8, Pages 464-4686畢業論文文獻綜述油氣儲運工程油庫輸油離心泵機組變頻調速節能研究前言離心其實是物體慣性的表現，比如雨傘上的水滴，當雨傘緩慢轉動時，水滴 會跟隨雨傘轉動，這是因為雨傘與水

11、滴的摩擦力做為給水滴的向心力使然。但是 如果雨傘轉動加快，這個摩擦力不足以使水滴在做圓周運動，那么水滴將脫離雨 傘向外緣運動，就象用一根繩子拉著石塊做圓周運動，如果速度太快，繩子將會 斷開，石塊將會飛出，這個就是所謂的離心。根據這個原理，18401850年，美 國沃辛頓發明離心泵缸和蒸汽缸對置的機器，蒸汽直接作用的活塞離心泵上，這 就標志著現代活塞離心泵的形成。從此，開始了現代離心泵的新歷程。主題離心泵具有轉速高、體積小、重量輕、效率高、流量大、結構簡單、輸液無 脈動、性能平穩、容易操作和維修方便等特點。離心泵廣泛地應用于石油化工，煤化工等化學工業中，輸送不同性質的液體, 提供化學反應所需要的

12、壓力，流量。離心泵的種類繁多，根據輸送介質性質的不 同可分為酸泵，堿泵，清水泵，泥漿泵等。而且，輸送介質的工作溫度和工作壓 力乂可不同，因此，有效延長離心泵的使用周期，減少維修量，對提高工廠的經 濟效益有很大的作用。不論在什么時候，能源都是發展國民經濟、改善人類生活水平的重要物質基 礎。而且，隨著我國經濟的高速發展和全球能源的日益減少，節約能源已成為人 們關注的焦點。泵類產品屬于流體機械。國內的需求量非常大，每年發電量的 20%-25%都消耗在泵類產品上。離心泵需求量占泵類產品50與左右，為我國經濟建 設中必不可少的機械設備，因此針對離心泵開展的節能工作是非常重要和刻不容 緩的。多年來，由于離

13、心泵的工作原理和工況條件的限制，使得離心泵在需要運行 前，必須往泵體內灌滿液體才能夠正常地進行輸轉工作，而且不太適合在那些小 流量、大壓頭的輸轉作業過程中使用。除此之外，在遇到設計不完善或操作不當 時，如像輸送牛奶時，就比較容易產生泡沫，影響下一工序生產；再者，在安裝 不當時，則常會出現一種叫“氣縛”或“氣蝕”的離心泵特有的現象，使得效率 也比使用往復泵要低。所以需要對離心泵進行研究試驗，以達到一種比較理想的工作情況。當然， 在前人的研究基礎上：通常，離心泵的流量、壓頭可能會與管路系統不一致，或 由于生產任務、工藝請求產生變更，需要對泵的流量進行調節，實在質是轉變離 心泵的工況點（所謂工況點，

14、是指水泵裝置在某瞬時的實際出水量、揚程、軸功 率、效率以及吸上真空高度等，它表現了水泵的工作才能）。離心泵的工作原理是把電動機高速旋轉的機械能轉化為被晉升液體的動能和 勢能，是一個能量傳遞和轉化的過程。根據這一特點可知，離心泵的工況點是建 立在水泵和管道系統能量供求關系的平衡上的，只要兩者之一的情況產生變更， 其工況點就會轉移。工況點的轉變由兩方面引起：一.管道系統特征曲線轉變， 如閥門節流；二.水泵本身的特征曲線轉變，如變頻調速、切削葉輪、水泵串聯 或并聯。通過前人的研究試驗，知道離心泵在固定的轉速下揚程是固定的，調節出口 閥就調節了導流面積，是可以使用這種方法調節流量，這種方法的優點是簡單

15、易 行，缺點是節流閥消耗能量。而使用變頻器調節電機轉速也可以調節流量，優點 是節約電能，幾乎沒有缺點。為確保輸油泵站能夠高效、快速、安全地運轉，達到功能齊全的要求，完全 滿足應急、戰備建設要求和平時正常高效快速作業需要，在輸油泵站應用變頻調 速技術是解決上述問題的最佳選擇?？偨Y輸油泵變頻技術是一項節能新技術，曾被列為全國十大項綜合節能工程之一。 隨著變頻技術的迅猛發展和日趨成熟，在日本、德國、丹麥等發達國家已得到廣 泛應用，我國在一些行業也得到了逐步應用，尤其是機械制造業已應用多年。近 年來，變頻技術先后在石油化工行業開始應用，在飛機加油系統、油庫汽車零發 油系統、油庫泵站也進行了試用。變頻調

16、速這種調速能平滑地調節電動機同步轉換，實現了無級調速，而且電 動機啟動能耗小，能避免對電網的電流沖擊，在國內外已被廣泛應用。一般變頻 調節方案，多采用通過壓力傳感器控制輸出壓力，最終達到控制輸出流量的目的。針對油庫油泵運行特點，采用流量傳感器，直接控制輸出流量最為理想。所以本 次主要是根據這種方法進行輸油離心泵的變頻調速節能的研究。參考文獻1石油庫設計規范(GB50074-2002) M.北京:中國計劃出版社,20032聶世全.離心泵機組變頻調速節能運行穩定性規律J.河北：油氣儲運.2001, (08):44-603郭德有，胡文.離心泵轉速最佳調節系統的研究JL黑龍江商學院學報(自然 科學版)

17、.1987, (01) :26-334邱明杰.離心泵節能技術工作的改進措施J.江蘇:排灌機械.2007, (05): 65-685張愛蓮，楊紀云，周南.離心泵調速節能工藝的理論分析與應用J.河北： 油氣儲運.2000, (10) :38-606林猛.離心泵調節方式與能耗分析與.沈陽：當代化工.2007, (04):371-3767 J. Lapelk and R. Huzllk； Electrical Drives for Special Types of Pumps：AReview ； 2010, Recent Advances in Mechatronics, Part 4, Pages

18、293-2978 A. V. Potashev, E. V. Potasheva and A. V. Rubinovskii； Chemical andPetroleum Engineering, 2002, Volume 38, Numbers 7-8, Pages 464-4689伍年青，蓋學輝，于景龍.不同工況條件下離心泵調速運行的節能分析J.北京：石油機械.2000, (07):40-7010楊曉珍，裴毅，謝方平，等.離心泵調速運行節能效果試驗J.湖南農業大 學學報(自然科學版).2005, (05) : 88-90本科畢業論文（20 屆）油庫輸油離心泵機組變頻調速節能研究中文摘要英文

19、摘要1 .前言31.1 離心泵變頻調速技術的現狀31.2 變頻調速未來發展方向41.3 本文的研究意義和主要任務51.31 本文的研究意義51.32 本文的主要任務51.4課題的提出52 .對于變頻技術中變頻器的理解52.1 變頻器的概念52.2 變頻器的組成及工作原理52.3 變頻器的作用62.4 變頻器的分類73 .實際泵機工作情況83.1 離心泵實際運行情況83.2 調速節能原理83.3 調速節能的數學分析93.4 調速節能的應用11小結13參考文獻14附錄：21摘要隨著我國經濟的高速發展以及全球能源的日益減少，行約能源已成為人類關注的焦 點。泵類產品屬于流體機械，廣泛地應用于石油化工，

20、煤化工等化學工業之中，主要作用是 輸送不同性質的液體，為化學反應提供所需要的壓力、流量。離心泵的種類繁多，根據輸送 介質性質的不同可分為酸泵，堿泵，清水泵，泥漿泵等。而且，輸送介質的工作溫度和工作 壓力又可不同。因此，在國內的需求量是非常大的，但每年發電量的20%-25舟都消耗在泵類產 品上，而離心泵需求量占泵類產品50%左右，為我國經濟建設中必不可少的機械設備，因此針 對離心泵開展的節能工作是非常重要和刻不容緩的。目前，針對離心泵的節能調行方法主要有兩大類，一是改變管路的特性曲線，主要措施 有：入口節流、出口節流以及旁路回流。其中，以出口節流和旁路回流應用為主。二是改變 機泵的特性曲線，其主

21、要措施有：切削葉輪、多級泵減少級數以及改變泵的轉速等等。切削 葉輪可行，但葉輪切削后不能恢復，其使用范圍有限，多機泵減少級數只能是整數拆除，只 使用于工況相對穩定的情況。最好的方法還是改變泵的轉速，實現泵機的無級調速。本文結合離心泵實際運行情況， 在分析離心泵調速節能理論的基礎上，對泵調速廿能進行了理論數據分析，總結了離心泵調 速前后的功率變化關系式，以及與之相關的其他影響因素：變頻電機和管道的特性等，結合 實際范例對離心泵的變頻調速功能和應用前景進行了相關討論。關鍵詞1離心泵變頻調速數據分析節能Abstract With Chinas rapid economic development a

22、nd global energy decreasing, energy conservation has become the focus of attention. Pump products belong to fluid machinery, widely used in petrochemicaLchemical industry; coal conveying different kinds of liquid, provides chemical reactions need pressure, flow rate. Tlie centrifugal pump are variou

23、s and based on the transmission medium properties can be divided into acid, alkali pumps, pump clear water pumps, mud pump etc. Moreover transport medium temperature and pressure can be different. Therefore, in the domestic demand is very big, but 20%- 25% of electricity annually are spent pumps pro

24、ducts, and centrifugal pump demand around 50% of pump products for Chinas economic construction, the indispensable mechanical equipment. So in the energy conservation work in a centrifugal pump is very important and urgent.At present, the energy saving for centrifugal pump adjustment methods basical

25、ly has two kinds, one is the change of pipeline characteristic curve, the main measures are： entrance throttling, export throttling and bypass backflow. Among them, to export throttling and bypass backflow application primarily. The another one is to change the performance curves of pump, its main m

26、easures are:cutting impeller, multistage pumps, reduce the speed and change pump series, etc. Cutting impeller feasible, but cannot resume, after impeller cutting its usage scope is limited, many pump reduce series is only integer, use only to dismantle relatively stable situation.The best way is to

27、 change the speed, and realize the pump of pump stepless speed regulation. Based on the actual operation, centrifugal pump centrifugal pump control energy-saving in analysis based on the theory of the pump control energy-saving, theoretical data analysis, summarizes the centrifugal pump speed and po

28、wer changes relationship, and related other influencing factors:frequency conversion motor characteristics of pipeline and the practical example, the frequency conversion of centrifugal pump function and application prospects are related discussion.Keywords Centrifugal pump； variable frequency speed

29、 control： Data analysis： energy-saving1 .前言1.1 離心泵變頻調速技術的現狀1.1.1 引言從20世紀20年代起，低速的、流量受到很大限制的活塞離心泵逐漸被高速的離心離心 泵和回轉離心泵所代替。但是在高壓小流量領域往復離心泵仍占有主要地位。直到在世紀末, 英國的雷諾和德國的普夫萊德雷爾等學者的理論研究和實踐的基礎上發明的高速電動機使離 心離心泵獲得理想動力源之后，它的優越性才得以充分發揮，離心泵的效率也得到了大幅度 地提高。而隨著離心泵的不斷發展，跟離心泵相關動力電機也有了很大的發展。目前，比較主流 的就是離心泵電機的變頻調速技術。這是一種通過改變電源

30、頻率來調整電動機轉速的連續平 滑調速方法，主要應用于同步電動機和鼠籠型異步電動機。應用這種變頻調速技術的離心泵 能平滑地調汽電動機同步轉換，實現泵轉速的無級調速，而且這種電動機的啟動能耗小，能 避免對電網的電流沖擊，減少能量的損耗，間接達到了節能的目的。變頻調速是最有發展前途的一種交流調速方式。目前，變頻器調速控制系統廣泛應用于 冶金、機械、礦山、石油、化工、水泥、紡織、造紙、印染、鐵路、船舶等行業。相信經過 技術革新它的性能范圍和使用領域也變得更加廣闊，在國家的可持續發展和環保節.能方面貢 獻其特有的一份力量。1.1.2 調速的定義和分類目前，電機調速在定義上就是通過一定的方法來實現改變電機

31、轉速的目的的一類方法。 其中，三相異步電動機的轉速公式為：n=60f(l-s)/p從上式可見，改變供電頻率f、電動機 的極對數p及轉差率s均可達到改變轉速的目的。從調速的本質來看，不同的調速方式無非就是改變了交流電動機的同步轉速或者不改變 同步轉速兩種方式。不過，生產機械中常常使用不改變同步轉速的調速方法來進行調速，具 體有繞線式電動機的轉子串電阻調速、斬波調速、串級調速以及應用電磁轉差離合器、液力 偶合器、油膜離合器等調速。如果改變同步轉速的話，那就有改變定子極對數的多速電動機, 改變定子電壓、頻率的變頻調速的有能無換向電動機調速等多種方法。從調速的能耗觀點來說，一共具有高效調速方法與低效調

32、速方法兩種方法：高效調速指 時轉差率不變，因此無轉差損耗，如多速電動機、變頻調速以及能將轉差損耗回收的調速方 法(如串級調速等)。有轉差損耗的調速方法屬低效調速，如：轉子串電阻調速方法，能量在 轉子回路中里損耗；電磁離合器的調速方法，能量在離合器線圈內損耗；液力偶合器調速， 能量在液力偶合器的油中也有損耗。一般來說轉差損耗隨調速范圍擴大而增加，如果調速范 圍不大，能量損耗一般是很小的。1.1.3 變頻調速關鍵技術發展油泵是油庫生產運行中重要設施，也是油庫內主要的能耗設備。在調節流速的過程中， 由于油泵的特性和管路特性的不匹配，在實際運行中需要根據運行工況控制輸油泵出口閥門 的開度來調節流量，以

33、滿足生產工藝的需要。這種流量調節方式容易在油泵出口閥門前后產 生比較大的泵管壓差，使得大量的能量消耗在泵出口閥前后，造成能源能量的浪費。因此在 輸油泵機組上推廣變頻調速系統是很有必要的。因為變頻調速系統能夠實現通過改變輸油泵 的轉速來進行不同的工況調節，從而消除由于泵管壓差而產生的節流能量損失，改善了輸油 工藝，也就降低了輸油單耗，降低了油庫輸油電能成本。變頻調速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的一種調速方法。變頻調 速系統主要設備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流一直流一交流變頻器和交流一 交流變頻器兩大類，目前國內大都使用前一種：交流一直流一交流變頻器。其具有優點：效

34、率高，調速過程中沒有附加損耗；應用范圍廣，可用于籠型異步電動機；調速范闈大，特性 硬，精度高；缺點：技術復雜，造價高，維護檢修困難。目前，電壓為6KV的高壓變頻調速系統正處于技術發展的關鍵階段，其基本原理為通過 “交流一直流一交流”的逆變過程，改變電機定子的電壓頻率來達到改變電機的轉速這一目 的的。高壓電機調速的方式從技術實現途徑上又可分為“高一低一高”、“高一高”、“IGBT直 接串聯”等幾種方式。其中“高一低一高”方案中需要多一級升壓變壓器，設備結構龐大， 系統效率相對較低，屬于落后淘汰技術?！案咭桓摺狈绞街苯硬捎?KV電壓輸入，6KV輸出 無須升壓變樂器，系統效率相對較高，目前采用該形式

35、的變頻調速系統應用比較多?！癐GBT 直接串聯”型變頻器采用1700V高壓IGBT原件，具有元件數量少，占地空間小等優點，但 是由于IGBT元件直接串聯，從技術性能上來說現有技術尚不成熟，如果應用的話具有一定的 風險性。1.2 變頻調速未來發展方向1.3 1低電磁噪音靜音化新型通用變頻器通過輸入側加交流電抗器或有源功率因數校正電路APFC,在逆變電路中 采用soft-PWM控制技術，以改善輸入電流波形、降低電網諧波，在抗干擾和抑制諧波方而符 合EMC國際標準，實現清潔電源的變換和更低噪音運行。L2.2系統化、網絡化作為發展趨勢，通用變頻器從單機的數字式、模擬式、智能化、多功能化向集成化和系 統

36、化發展，使變頻器、伺服裝置、控制及通訊裝置等集成配置，目的是為用戶提供最佳的系 統功能。而且新型通用變頗器可提供多種兼容的通信接口，支持多種不同的通信協議，內裝 RS485接口，可由個人計算機向通用變頻器輸入運行命令和設定功能數碼等，通過選件可與現 場總線通訊。L2.3增強變頻器的功率器件變頻技術是建立在電力電子技術基礎之上的，應用最多的功率器件有GTO、GTR, TGBT 及智能模塊IPM (Inteligent Power Modulr),后面兩種集GTR的飽和和電壓特性和MOSFET 的高頻特性于一體，是目前通用變頗器中最廣泛使用的主流功率器件。由于IPM包含IGBT 芯片及外圍驅動和保

37、護電路，因此是變頗器的一個發展趨向。L2.4開發清潔電能的變流器所謂清潔電能變流器是指變流器的功率因數為1,網側和負載側有盡可能低的諧波分量， 以減少對電網的公害和電動機的轉矩脈動對中小容量變流器，提高開關頻率的PWM控制是有 效的。對大容量變流器在常規的開關頻率下，可改變電路結構和控制方式，實現清潔電能的 變換。1.2.5參數自調整用戶只要設定數據組編碼，而不用去逐個逐個設置參數，通用變頻器會將運行參數自動調整到最佳狀態。（目前矢量型變頻器可對電機參數進行自調整）1.4 本文的研究意義和主要任務1.31 本文的研究意義響應國家節能減排的號召，通過對現在正在運行的離心泵機組進行原理與數據分析，

38、了 解其采用了變頻調速技術后能夠產生多大的效益，使得大多數使用離心泵的油泵站通過本次 研究的結果能夠明白，如果離心泵采用變頻調速技術能夠產生的實際的經濟效益和帶來的環 保節能意義，同時也展望了未來全局變頻調速技術的改革以及努力的方向。1.32 本文的主要任務通過對某油庫泵房的離心泵機組工況數據的采集和分析，根據現有知識、方法和資料對 油泵站輸油離心泵的變頻調速技術的實際運行情況和運行后能夠產生的節 .能效果進行一定的 研究分析，了解油庫離心泵的具體使用情況，使得油庫管理者對于輸油泵的成本管理運行進 行控制提供了一定的參考依據。L4課題的提出目前，國內交流變頻調速技術產業狀況表現如下：（1）變頻

39、器整機技術相對落后，在國內，雖然有很多單位投入了相當力度的人力、物力, 但由于研究力量分散，并沒有形成一定的技術和生產規模。（2）關于變頻器產品所需要的半導體功率器件的生產制造業幾乎還是空白。（3）變頻器的相關配套產業和行業落后。（4）變頻器產量、銷量相對較少，產品質量可靠性和工藝水平普遍不高。對于變頻器和變頻技術知識的了解和分析，知道了在我國大多數輸油泵組的具體調速的 現有方法以及未來努力的方向。但是，由于在我國還沒有較大范圍的推廣一些高端精細的變 頻器，所以在這里，本文就較原來油庫輸油泵的調速方式和新型的調速方式進行相對的橫向 比較，從而得出到底在什么地方能夠較原來的調速方式有著更大的優勢

40、。2 .對于變頻技術中變頻器的理解2.1 變頻器的概念變頻器是一種應用變頻技術與微電子技術的電力傳動元件，其主要通過改變泵電機的工 作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動機的。2.2 變頻器的組成及工作原理2.2.1 變頻器的基本構成變頻器的發展歷程已有數十年的歷史了，在變頻器的發展過程中曾出現過許多不同類型 的變頻器。發展到至今為止，市場上主流的變頻器主要由四部分組成：整流單元、高容量電 容、逆變器和控制器。交迸電控制電路圖1變頻器結構圖2.2.2 變頻器工作原理變頻器的內部電路大體可分為主電路和控制電路兩部分。主電路是給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上又可 分

41、為兩類：一是電壓型，將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。二 是電流型，將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。它由三部分構成, 將工頻電源變換為直流功率的“整流電路”，吸收在變流器和逆變器產生的電壓脈動的”直流 中間電路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變電路工一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。它的主要作用是對工頻的外部電 源進行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。整流電路按其控制方式可以 是直流電壓源也可以是直流電流源。直流中間電路的作用是對整流電路的輸出進行平滑，以保證逆變電路和控制電源能夠得 到質量較高的直流電源。當整流

42、電路是電壓源時直流中間電路的主要元器件是大容量的電解 電容，而當整流電路是電流源時直流中間電路則主要由大容量電感組成。此外，由于電動機 制動的需要，在直流中間電路中有時還包括制動電阻以及其他輔助電路。逆變電路是變頻器最主要的部分之一。它的主要作用是在控制電路的控制下將直流中間 電路輸出的直流電源轉換為頻率和電壓都任意可調的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器 的輸出，它被用來實現對異步電動機的調速控制?？刂齐娐肥墙o主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電 壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅動 電路”，以及逆變器和電動機的“

43、保護電路”組成。（1）運算電路：將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算, 決定逆變器的輸出電壓、頻率。（2）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。（3）驅動電路：驅動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導通、關斷。（4）速度檢測電路：以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器的信號為速度信號，送入運 算回路，根據指令和運算可使電動機按指令速度運轉。（5）保護電路：檢測主電路的電壓、電流等，當發生過載或過電壓等異常時，為了防止 逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。2.3 變頻器的作用變頻器集成了高壓大功率晶體管技術和電子控制技術，

44、得到廣泛應用。變頻器的作用是 去改變交流電機供電的頻率和幅值，從而改變工作運動磁場的周期，達到平滑控制電動機轉 速的目的的。變頻器的出現，使得復雜的調速控制變得簡單化，變頻器和交流鼠籠式感應電 動機的組合方式替代了大部分原先只能用直流電機完成的工作，縮小了設備體積，降低了設 備維修率，使得傳動技術發展到了一個新的階段。變頻器可以優化電機運行，所以也能夠起到增效節能的作用。所以努力在我國的泵類電 機上增設變頻器是多么迫切的一件事啊。2.4 變頻器的分類2.4.1 按變換的環節分類（1）交流-直流-交流變頻器，則是先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再把直流變換成 頻率電壓可調的交流，又稱間接式變

45、頻器，是目前廣泛應用的通用型變頻器。（2）交流-交流變頻器，即將工頻交流直接變換成頻率電壓可調的交流，又稱直接式變頻器。2.4.2 按直流電源性質分類（1）電壓型變頻器電壓型變頻器特點是中間直流環節的儲能元件采用大電容，負載的無功功率將由它來緩 沖，直流電壓比較平穩，直流電源內阻較小，相當于電壓源，故稱電壓型變頻器，常選用于 負載電壓變化較大的場合。（2）電流型變頻器電流型變頻器特點是中間直流環節采用大電感作為儲能環節，緩沖無功功率，即扼制電 流的變化，使電壓接近正弦波，由于該直流內阻較大，故稱電流源型變頻器（電流型）。電流 型變頻器的特點（優點）是能扼制負載電流頻繁而急劇的變化。常選用于負載

46、電流變化較大 的場合。2.4.3 按主電路工作方法可分為電壓型變頻器、電流型變頻器。2.4.4 按照工作原理分類可以分為v/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等。2.4.5 按照開關方式分類可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器。2.4.6 按照用途分類可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。2.4.7 按工作原理分可以分為U/f控制變頻器（VVVF控制）、SF控制變頻器（轉差頻率控制）、VC控制變 頻器（Vectory Control矢量控制）。248按國際區域分類可以分為國產變頻器：歐美變頻器、日本變頻器、韓國變

47、頻器、臺灣變頻器、香港變頻 器249按電壓等級分類可以分為高壓變頻器、中壓變頻器、低壓變頻器。3 .實際泵機工作情況離心泵在石油化工企業中應用十分廣泛，是生產、運輸環節的重要設備之一，據有關資 料報道，目前石油企業的許多機泵的運行很不經濟，不但泵與電機的實際運行效率低，而且 泵的剩余揚程也高，平均能量利用率僅為30%左右，低的甚至不足10%。鑒于以上情況，目 前石油化工企業廣泛采用變頻調速節能技術。3.1 離心泵實際運行情況離心泵在應用中，對流量進行調節.的原因首先是設計選型，因設計流量和揚程是千變萬化 的，但泵只能按系列生產，其提供的流量揚程是間斷的，勢必造成所選泵型與實際操作不完 全匹配，

48、需要進行相應的調節：其次，受原料供應及產品銷售等市場因素的影響，可能使機 泵不能在滿負荷下運行，也要進行節流調節：第三，受操作工況的影響，如成品油汽車裝車, 可能同時裝四、五輛，也可能只裝一輛，這種情況也需進行相應的調節。目前，常用的調門方法有兩大類，即改變管路的特性曲線和改變泵的特性曲線。改變管路 特性曲線的措施有：入口節流、出口節.流和旁路回流。其中，以出口節流和旁路回流應用較 多，由于泵的汽蝕問題而很少用入口節流。改變機泵特性曲線的措施有：切削葉輪、多級泵 減少級數、改變泵的轉速等。切削葉輪可行，但葉輪切削后不能恢復，其使用范圍有限，多 機泵減少級數只能是整數拆除，只使用于工況相對穩定的

49、情況。最好的方法是改變泵的轉速。 3.2調速節能原理調速節.能的原理在于提高機泵組的能量利用率，使能量的需求與供應相匹配，減少泵機工 作時的能量損失。能量利用率是對泵機組能耗評價的重要標志，它與管道設計、機泵選型、 泵和電機的運行效率有密切關系。具體可以用式（1）來表示：th = Hx / Hh x n x n f x 100%或2=（1 一n x n f x 100% （1）式中 中一一能量利用率，%；a,泵的運行效率；n,電機的運行效率：”,需要的泵揚程，m；Hb泵出口實際揚程，m：H泵的剩余揚程，m： H=廠m從式（1）中可知，要提高能量利用率，就應該提高泵和電機的運行效率，減小泵的剩余

50、揚 程。當泵的制造技術達到一定水平時，其效率很難繼續提高。目前國產高效離心泵的效率為 65%75%,還有一定的潛力，進口優質泵的效率為70%80%.電動機的效率比較高，一般在 90%以上。當泵和電機已確定時，系統的能量利用率主要與泵的剩余揚程有關，其次是泵的運 行狀態（跟運行時是否在高效區有關）。變頻調速就是從這兩個方面來提高能量利用率的，從而 達到節能目的。理論上通過適當調節，可使剩余揚程為零，并使泵在高效區工作。對剩余揚 程較高的系統，其節能效果是相當可觀的。由圖2可知，當系統在M點（通常稱為泵和管道系統的工作點）工作時，和相等 H=O,沒有揚程損失，能量利用率較高。當操作流量減少時，4H

51、增大，揚程損失消耗在出口 節流上，節流閥調節時，往往使泵偏離了高效區，造成泵的效率降低。如果采用變頻調速技術，則可調門泵的轉速，使泵的特性曲線下移(見圖2)o管道系統新 的工作點為P點，泵的出口揚程與管路總壓降相等，沒有剩余揚程，不存在節流損失，因而 能量利用率較高。根據相似原理，調速后泵的效率近似相等，可保證泵在高效區工作，即泵3.3 調速節能的數學分析3.3.1 比例定律由于離心泵在某一恒定的轉速下，只能有一組H Q、N - Q和n Q性能曲線。改 變泵的轉速，可以得到不同的性能曲線，在不同轉速下，泵相似工況點的性能參數的變化規 律可以用比例定律來確定。當泵轉速由變為明時，若輸送的介質不變

52、，根據相似定律，在不同轉速下相似工況 點的對應參數與轉速之間有如下關系：QJQ2=n1 /n2(2)HJHlO”。(3)NJM =(J%)3(4)以上公式為比例定律的表達式，根據比例定律，可得到同一臺泵(輸送介質不變的情況下) 在不同轉速下的性能曲線(見圖3)。3.3.2 相似拋物線離心泵在連續改變轉速時，相似工況點移動的軌跡曲線，就是相似拋物線。由圖3可見，如泵在轉速時性能曲線上有一工況點A，當轉速變為 2, 3 時，與A點相似的各工況點為A,、兒o根據比例定律有：Q| /。2 叫 /4口/”2=(/2)2故 HJQ； = HJQ； = H /Q2=K (常數)即 =K。2(5)式中 H揚程

53、，in：Q流量，”? ?；n轉速，r/ min：K隨工況不同的常數。由上而離心泵轉速改變前后的關系式可知，如果離心泵轉速有微小的降低，則離心泵所 需的輸入功率也會大幅度地降低，也就產生明顯的沖能效果，當離心泵轉速降低在額定轉速 20%以內時，離心泵的特性曲線的形狀與原來相似，如圖2所示，當離心泵轉速由n降為nl 時，其特性曲線為與原曲線平行的一條曲線，原管路特性曲線與H-Q 50)相交于M點，M 點即為原工況點。使用變頻調速之后，離心泵轉速為nl時，其特性曲線為調速后泵特性曲線，由于此時泵 出口閥被全開，管路特性曲線就變為較為平坦的管道特性曲線，此時管道特性曲線與Hl-Ql(nl) 交于P點，

54、即為新的工況點，此時Q=Qp，即保持離心泵排量不變，但泵的揚程由Hb減少為 Hx,因此在保證滿足輸油量的情況下，通過削減離心泵楊程節約的能量為HbHxPM的面積。 這就是離心輸油泵變頻節能的原理。333調速后泵的速度和軸功率若實際輸量為。，泵提供的揚程為,泵的速度及軸功率的計算步驟如下：求與P點相似的軌跡方程根據相似拋物線” =K。2,得Kp =Hp /Qp?,于是H = KpQt在所用泵中做出軌 跡方程，與泵在額定轉速4下的性能曲線交于M點，于是可得M點對應的各參數(Qm，/, n w)(見圖4八(2)計算調速后的轉速根據比例定律/0，調速后的轉速為% =(0A)/。.(6)(3)計算軸功率

55、泵的軸功率為：N=PgQH/1000n (7)式中N軸功率，kW；H揚程，m：Q流量，nr / s ；P介質密度，依/g重力加速度， s2：n一一泵效率。故調速后泵的軸功率為：叫=Pg QpHp/000 n p (8)若不調速而用出口閥調節節流，則當流量為0,時，泵的功率為：N = pg QpH/1000 n (9)敵AN = NNp = pg Qp / 1000X(H/n Hr/n p)根據相似定律，相似工況點的效率大致相等，因P點與M點為相似點，故。0= 4小，n可在圖(4)中查到，于是: N = pg 0, /iooox(H/n p/n,) (io)圖4性能曲線圖3.4 調速節能的應用3

56、.4.1 技術經濟分析調速的方法很多，但目前對離心泵而言，用得最多且最成功的是變頻調速技術。變頻調 速需要增加投資，因此必須先進行技術經濟比較，做到不僅技術先進，而且經濟合理。設變頻調速系統的投資為P元，使用時間為x,每年在調速狀態下運行時間為t,電力單 價為i元/度，投資回收期為m,經濟上可行的條件為：NXtXiP(11)P/ANXtXi=m(12)m越小，投資回收期越短，變頻調速的經濟效益就越好。3.4.2 技術措施：變頻調速系統應用輸油泵機組固然可產生較好的行能效益，但由于輸油系統屬于油庫生 產中的一個重要樞紐環節，長時間的連續運轉，除了對設備本身要求有很高的可靠性要求之 外，在技術方案

57、上必須與現場的工藝相結合，充分考慮到現場操作，啟動、停機，以及調節 等諸方面的安全性，適用性和方便性。本系統在應用中采用了以技術措施：1 .調速系統具備工頻、變頻手動切換功能。一旦變頻系統出現種故障，可以手動切換到工 頻檔，將變頻系統隔開，在變頻系統維修期間可保障輸油泵的運行，滿足油庫生產的需要。2 .系統的運轉頻率的調節采用開環手動調行方式?？紤]到輸油系統要求安全平穩運行的特 點，系統不宜采用閉環調節控制。因為受整個輸油系統管網波動的影響，如采用閉環控制， 很容易造成系統的自動停機，或引起整個輸油系統的擾動，給輸油生產的調度指揮帶來不利 的影響，但是采用開環人為控制，通過一定運行時間的技術摸索，在不同工況下，人為地設 定和調整變頻系統的參數，就可以減少部分初期投資，又可保障輸油系統的安全平穩運行。3 .現場設置、啟動、停止以及緊急停機按鈕，控制室內設置上位機對運行參數進行時時顯 示，大大方便了現場操作人員的操作和對設備運行狀太的監視。4 .優化系統的保護參