调速液力耦合器在肯尼亚1号线成品油管道的应用

2014-10-29李欣泽任晓燕

石油工程建设 2014年3期

李欣泽，任晓燕

中石化石油工程设计有限公司，山东东营 257026

0 引言

在输油管道系统中，向输油泵提供动力的电动机耗电量直接影响管道的运行成本。一般电机选用的是工频定速电机[1]，当管道实际运行工况与原设计出入较大，经常处于降量输送状态时，受各站进出站压力的限制，输油站出站调节阀只好通过节流调节，输油泵机组要做一定量的无用功，这不仅浪费能量，还缩短了设备使用寿命。若在输油泵机组上应用液力耦合器调速技术，可以提高泵机组的能量利用率，使输送与能量的需求相匹配，而且电机输出功率只需满足运行工况的要求即可。

本文以肯尼亚1号线成品油管道为例，选用SPS仿真软件对固定转速泵和采用液力耦合器调速技术的可变转速泵的运行工况分别进行了模拟仿真，分析了在应用液力耦合器调速技术后输油泵机组的节能效果。

1 软件介绍

SPS（Stoner Pipeline Simulator）是美国ADVANTIC公司开发的一款应用在单相流长输管道上的软件，自开发以来，经过不断的实践、修正，功能已较为完善。

SPS分为气体和液体两个计算模块，它既可以对管道系统的水力、热力工况进行仿真，又可以对管道系统的调节过程及结果进行仿真，是国际上公认的一款瞬态流体仿真应用软件[2]。我国的兰成渝成品油管道、兰郑长成品油管道、西部原油管道等均采用了SPS进行工艺计算。肯尼亚1号线成品油管道利用SPS建立的模型如图1所示。

图1 利用SPS建立的肯尼亚1号线模型窗口

2 工程概况

肯尼亚KPC公司的1号线成品油管道起于港口城市蒙巴萨，终于首都内罗毕。管道全长约449.1 km，管径356mm（14 in），最大操作压力10MPa（1 440 psi），建成于1978年。在2008年以前，该条管道最大输量为440m3/h，随着成品油需求的增长，KPC于2008年新建了4座泵站（PS2、PS4、PS6、PS8），将输量扩展至860m3/h。目前管道全线共有泵站8座，每座泵站均有2台额定排量为405m3/h或440m3/h的输油泵，所有输油泵均为电机驱动的液力耦合器调速离心泵。由于没有备用泵，每座站场正扩建第3台泵。全线线路里程及站场分布情况见图2。

图2 全线线路里程及站场分布示意

3 调速液力耦合器工作原理

液力耦合器安装在离心泵与原动机之间，其结构如图3所示，主要由壳体、泵轮和涡轮组成。它是以液体为介质，利用液体的动能来传递转矩的动力式液力传动装置。

图3 液力耦合器结构示意

工作时输入轴从电机处获得能量使泵轮叶片转动，从而使机械能转变为工作腔内工作液的动能，高速液体进入涡轮之后带动涡轮叶片转动，再变成机械能传给输出轴带动离心泵工作。最后液体返回泵轮，如此反复的动作形成周而复始的流动。液力耦合器是通过液体将其输入轴与输出轴联系起来，工作构件之间不存在刚性连接。因为输出扭矩等于输入扭矩减去摩擦力矩，所以它的输出扭矩恒小于输入扭矩。密闭工作腔内工作液的流量决定了能量传递的多少，从而决定了输出轴转速的大小。因此液力耦合器通过勺管来调节工作液的流量，从而实现泵的转速调节。

3.1 离心泵比例定律

离心泵在某一恒定的转速下，只能有一组扬程-流量、功率-流量和效率-流量性能曲线；在不同转速下，泵相似工况点的性能变化规律可以用比例定律来确定，其变化规律为[3]：

式中Q和Q1——离心泵在转速n和n1时的流量/（m3/h）；

H和H1——离心泵在转速n和n1时的扬程/m；

N和N1——离心泵在转速n和n1时的轴功率/kW。

由上式可知，保持离心泵输送流量不变，降低泵转速的同时减少了泵的轴功率和扬程。

3.2 管道和泵特性曲线

当操作流量减少时，若输油泵采用阀门调节，则如图4所示，必须关小阀门，这使得阀门的摩阻变大，管道特性曲线变陡，从R变为R′，运行工况点则从a点移到b点，泵产生的扬程有部分被损耗掉；若采用调速液力耦合器，则如图5所示，通过调节泵的转速，使泵的特性曲线下移，从Q-H变为（Q-H）′，运行工况点则从a点移到c点，系统不存在节流损失，相比阀门调节方式，消耗在阀门上的扬程损失可以完全避免[4-5]。

图4 管道和泵的特性曲线（出口阀开度控制）

图5 管道和泵的特性曲线（泵转速控制）

4 调速前后工况模拟及对比分析

采用SPS仿真模拟软件对肯尼亚1号线成品油管道在低输量下泵机组调速前后的运行工况分别进行模拟。图6表示的是输量为650 m3/h时，管道全线的水力坡降线。

图6 水力坡降线

650m3/h低输量下的泵性能对比数据见表1和表2。表1中泵调速后功率已考虑液力耦合器8%的效率损失。

由表1可知，在650m3/h的低输量下，输油泵出口节流阀的节流损失占泵额定功率的50%左右，可见，能源的浪费是惊人的。若离心泵的转速能够调节，使泵的扬程由1 325m减小到仅满足泵实际需要的大小，则通过削减泵扬程，全开出站节流阀，可达到节约能量的目的。

考虑到调速装置的效率损失，表3进一步给出了使用液力耦合器前后的运行费用对比，从表中可以看出，调速前后的节能效果相当可观。若管道系统在该输量下运行一年，16台液力耦合器的投资不到半年就能收回，而且随着泵输量变化的增大，节能效果将更加明显[6]。此外，由于避免了输油泵出口阀的节流调节，因而还可以较好地减少输油泵机组的机械冲击、摩擦摩损和噪音，延长了输油泵机组的维护保养周期及使用寿命等。

表1 泵机组调速前后运行数据对比

表2 出站节流阀调速前后运行数据对比

表3 使用液力耦合器前后的运行费用对比

5 液力耦合器实际应用效果

由于肯尼亚1号线成品油管道自投产后就应用了液力耦合器调速技术，因此其节能效果只能利用软件通过对泵机组调速前后的工况进行模拟评价。下面以某电力设计院实测的一台20万kW机组引风机改装液力耦合器为例，说明液力耦合器在实际工程上的应用效果。该异步电动机额定值为1 250 kW，6 kV，142 A，额定效率95%，额定转速742 r/m in，额定功率因素0.85。

实测在不同发电机负荷下两种调节方式对应的输入电流及电动机综合输入功率，见表4；不同的日发电量对应的电机日耗电量如表5所示。

表4 实测输入电流及电动机综合输入功率对比

表5 日发电量对应的电机日耗电量

从表5中可知，在不同发电量下，按照机组年运行300 d计算，引风机在改装液力耦合器后，年节电量均在250万kW·h以上。

6 液力耦合器和变频器对比（见表6）

通过对液力耦合器和变频器调速的比较，液力耦合器在价格、操作性、运行可靠性、维护费用等方面具有突出优点。自2000年起，变频调速的理念开始流行，目前国内变频器厂家就有上百家，而液力耦合器厂家只有1～2家，原因是液力耦合器调速技术较难掌握，其核心技术主要被国际知名液力耦合器制造商福伊特所垄断。该公司研发的最新型的用于压缩机和锅炉给水泵等旋转离心机械驱动的高效传动装置Vorecon，在负荷下降至额定值的30%时，传递效率仍然高于90%。变频器运行至今，其缺点（如产生的谐波电流会污染电网等）不断暴露出来。建议国内加大对液力耦合器的技术攻关，相信随着设计理念的不断改变，液力耦合器将不断被大众接受，必将取代变频器成为石油石化行业泵和压缩机调速的主导产品。