鄯兰原油管道节能潜力分析范坐发科技论文.docx
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鄯兰原油管道节能潜力分析范坐发科技论文
中国石油天然气股份有限公司西部管道分公司
PetroChinaWestPipelineCompany
科技论文
题目：
鄯善—兰州原油管道节能潜力分析
工作地点：
西部管道酒泉输油气分公司
所学专业：
油气储运工程
姓名：
范坐发
完成日期2012年10月1日
摘要
在长输管道系统中，输油泵机组即是为管道提供输油压力的动力设备，也是泵站的主要耗能设备，所以降低输油泵机组的能耗无论是对能源的可持续发展还是对西部管道建设国际先进水平管道公司都具有重要的意义。
目前，西部管道公司所辖的鄯善—兰州原油管道（以下简称鄯兰原油管道）的输油泵全部为电机驱动的定速泵，由于油田储运系统外输油量达不到管道设计输量（鄯兰原油管道设计输量2000×104t/a，实际输量约为800×104t/a），所以对于站场的定速输油泵机组而言，就需要进行流量调节，这样直接导致泵管压差增大，在变工况运行条件下电机转速不可调整，造成输油泵机组利用率低，耗能大；而对于站场的变频调速输油泵机组而言，可通过变频调速方式，达到在各种运行工况下的优化运行，提高长输管道动力系统的效率，达到节能减排的目的。
本文以西部管道公司所辖的乌鲁木齐—兰州成品油管道（以下简称乌兰成品油管道）新堡站的定速泵和西靖站的变频调速泵为研究参照，通过其在不同的工况下运行，分析其各自的效能情况，通过变频调速泵与定速泵的效能对比，来推理鄯兰原油管道定速泵应用变频调速技术后的效率变化和节能效果。
关键词：
输油泵；效率；节能
目录
第1章概述3
1.1中国的能源形势3
1.2输油泵机组应用变频调速技术的作用及意义4
1.3国内外变频调速技术的应用现状6
第2章长输管道系统中输油泵机组运行状况调研7
2.1变频调速技术的节能原理7
2.2变频调速输油泵机组运行稳定性及间接的经济效益8
2.3定速输油泵机组在运行中存在的问题及解决方法8
第3章长输管道系统中输油泵机组效能分析9
3.1输油泵机组的效能分析方法9
3.2定速、变频调速输油泵机组效能分析10
3.3定速、变频调速输油泵机组能耗比较13
第4章输油泵机组变频改造案例分析15
4.1实际改造的案例15
4.2假设改造的案例15
结论17
参考文献18
第1章概述
1.1中国的能源形势
要了解中国能源的形式，首先我们要了解中国能源的特点。
中国能源总体来说有以下四个特点：
（1）能源资源总量比较丰富。
中国拥有较为丰富的化石能源资源。
其中，煤炭占主导地位。
2006年，煤炭资源保有量10345亿吨，剩余探明可采储量约占世界的13%，列世界第三位。
已探明的石油、天然气资源储量相对不足，油页岩、煤层气等非常规化石能源储量潜力较大。
中国拥有较为丰富的可再生能源资源。
水力资源理论蕴藏量折合年发电量为6.19万亿千瓦时，经济可开发年发电量约1.76万亿千瓦时，相当于世界水力资源量的12%，列世界首位。
（2）人均能源资源拥有量较低。
中国人口众多，人均能源资源拥有量在世界上处于较低水平。
煤炭和水力资源人均拥有量相当于世界平均水平的50%，石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的1/15左右。
耕地资源不足世界人均水平的30%，制约了生物质能源的开发。
（3）能源资源赋存分布不均衡。
中国能源资源分布广泛但不均衡。
煤炭资源主要赋存在华北、西北地区，水力资源主要分布在西南地区，石油、天然气资源主要赋存在东、中、西部地区和海域。
中国主要的能源消费地区集中在东南沿海经济发达地区，资源赋存与能源消费地域存在明显差别。
大规模、长距离的北煤南运、北油南运、西气东输、西电东送，是中国能源流向的显著特征和能源运输的基本格局。
（4）能源资源开发难度较大。
与世界相比，中国煤炭资源地质开采条件较差，大部分储量需要井工开采，极少量可供露天开采。
石油天然气资源地质条件复杂，埋藏深，勘探开发技术要求较高。
未开发的水力资源多集中在西南部的高山深谷，远离负荷中心，开发难度和成本较大。
非常规能源资源勘探程度低，经济性较差，缺乏竞争力。
作为世界上最大的发展中国家，中国是一个能源生产和消费大国。
能源生产量仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位；基本能源消费占世界总消费量的l/10，仅次于美国，居世界第二位。
但是由于中国能源的特点和中国经济的持续高速发展决定了中国存在严重的能源问题。
中国是一个以煤炭为主要能源的国家，发展经济与环境污染的矛盾比较突出。
上个世纪90年代以来，中国经济的持续高速发展带动了能源消费量的急剧上升。
自1993年起，中国由能源净出口国变成净进口国，能源总消费已大于总供给，能源需求的对外依存度迅速增大。
煤炭、电力、石油和天然气等能源在中国都存在缺口，其中，石油需求量的大增以及由其引起的结构性矛盾日益成为中国能源所面临的最大难题。
近年来，全国各地高温的记录不断被刷新，拉闸限电的省区市也创记录地达到24个，成千上万家企业尤其东部沿海企业处于停产、半停产状态，电力短缺的新闻跃上各报头版。
仅仅是电力吗？
似乎还没有这么简单，煤荒、油荒也在时隐时现，使我国能源形势十分严峻。
能源供应的多米诺骨牌一旦倒下，必将给我们的工作和生活带来一系列严重的影响。
能源紧张问题的解决是多方面的，重要的一点就是开源节流。
一方面，加大对传统能源的勘察力度，加大对新能源的寻找力度；另一方面，在能源消费方面，提倡节约，用先进的技术改造传统落后的生产设备与工艺，降低能源消耗，提高能源效率，使我国产业结构向低消耗、高产出的方向转变，以促进我国经济的可持续发展。
为了达到这一目的，需要从能源资源的开发到终端利用,更好地进行科学管理和技术改造，以达到高的能源利用效率和降低单位产品的能源消费。
由于常规能源资源有限，而世界能源的总消费量则随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高越来越大，世界各国十分重视节能技术的研究。
2009年2月5日全国能源工作会议在京闭幕，这是我国17年来首次举行的全国性能源工作会议。
国家发展改革委主任兼国家能源领导小组办公室主任马凯在会上作了我国当前的能源形势与“十一五”能源发展的报告。
在介绍“十一五”期间能源工作的主要任务时，马凯指出，当前和今后一段时期，一个重点工作是依靠科技进步和政策引导，提高能源效率，走高效、清洁化的能源利用道路。
鉴于我国人口多、能源资源特别是优质能源资源有限，以及正处于工业化进程中等情况，应特别注意依靠科技进步和政策引导，提高能源效率，寻求能源的清洁化利用，积极倡导能源、环境和经济的可持续发展。
由此看来，节能减排是能源可持续发展的必由之路。
我国能源消费结构不合理突出表现在能源利用消耗高、浪费大、污染严重，我国目前的能源效率是31.2%，比发达国家低10个百分点，落后20年。
缓解能源供需矛盾问题，从根本上就是大力节约和合理使用，提高其利用效率，严格控制钢铁、有色、化工、电力等高耗能产业发展，进一步淘汰落后的生产能力。
同时，还要大力发展循环经济、积极开展清洁生产，全面推进管理节能，大力推广节能市场机制，促进节能发展，广泛开展全民节能活动。
1.2输油泵机组应用变频调速技术的作用及意义
1.2.1变频器调速技术的作用
（1）变频器调速技术是非常有效的节能手段。
目前我国电动机的总装机容量已达4亿多kW，年耗电量达600～700亿kW/h，约占全国总用电量的60%，其中蕴藏着极大的节能潜力。
从目前高压变频器的一般使用情况来看，平均节电可达30%，因而，无论是在新建项目中，还是在技改项目中，高压变频系统的投入和使用，是非常有效的节能手段，若在政府有关部门和相关行业的支持下，每年有计划的改造500～600万kW的低效风机、水泵，平均年投入70～80亿元人民币，当年即可产生直接节电效益约为50～60亿元，占投资额的70%，而该类设备的使用期限至少为15年，长期经济效益十分明显。
若坚持不懈地十余年的改造，不仅可以大大提高我国这一行业的技术水平和发展，而且每年为国家节约数百亿元人民币的用电损耗，有关专家估计：
整体节能效果可为国家在今后十年内减少15～20个30万kW燃煤发电机组的投资，同时减少了大量煤烟的排放。
（2）变频器调速技术是有效的环保手段。
发电机组，特别是火力发电机组，燃烧后排放出来的CO2是产生大气污染，特别是全球温室效应的主要原因之一。
世界环境组织要求各国签署京都议定书就是要解决这一问题。
相信国际组织今后对各国CO2的排放量和标准会越来越严格，那么鼓励各行业开展高压电机变频调速技术研究达到节能目的，从而整体上减少火力发电厂的建设，减少CO2的排放，减少不可再生资源的浪费，就是人类最终要追求的目标。
（3）变频器调速技术是新意义上的电源。
我们知道一个国家经济可持续发展的动力之一就是能源的供应，电力是其中重要的一个环节。
而近年来由于各项成本的不断提高，电力的供应—电源，其中火力发电机组每kW的投资价格已经涨到5000～6000元人民币；水利发电机组每kW的投资价格已涨到8000～9000元；核能发电机组每kW的价格在10000元～12000元之间。
而变频器作为调速节能的一个重要产品不是从电力产生的角度，而是可从节约电力的角度，（可等同于一个电源）来进行投入产出的分析。
变频装置产品目前平均售价1500元/kW，平均回收期为2.5年，设备使用寿命20年，尽管这里的kW不是同一个概念，但投资购买变频器回报率并不少于投资一个电厂的回报率（电厂回收期一般在10年，使用寿命30年）甚至更多。
因此变频器作为一个新的意义上的电源，在投资上具有巨大的优势这也就是一个不争的事实了。
（4）变频器调速技术是延长电机寿命的有效手段。
有统计资料表明，大约10%的电动机故障是由于启动时的大电流以及对绕组的过大电磁力引起的。
通过对交流电动机电源的变频改造可以改善电机的启动性能，从而延长电动机的使用寿命，降低企业的生产成本。
因此，对变频器调速技术进行深入研究，进而加快该技术的推广和应用将是一件很有意义的工作。
1.2.2输油泵机组变频调速节能技术研究的意义
随着油田开发后期，油田产量递减，油田储运系统负荷率逐年降低，造成储运系统单位能耗逐年上升，系统效率下降。
这种趋势在油田储运系统的外输动力系统中有明显体现。
在外输动力系统，由于外输油量减少，造成泵管压差增大。
由于泵管压差存在，使泵出口阀门节流浪费了大量的电能（泵出口阀门节流损失的电能占输出功率的30%--45%）。
但是由于油品外输系统的特殊状况，不可能仅仅通过更换外输泵或配套电机来实现泵管之间的特性匹配，因为随着管道输量的降低，相同输送距离输送后管道内的油温降低，管道一旦因第三方破坏、维抢修等于原因而致使管道停输，管道停输后再启动的困难进一步加大，要求必须对油品外输动力系统配备一定富裕扬程的泵送设施，因此很难从改变设备选型的角度来满足不同运行工况下的泵管特性匹配。
只有通过变频调速方式，才能达到在各种运行工况下的优化运行，提高管输动力系统的效率，达到节能减排的目的。
输油泵机组应用变频调速技术，在产生十分显著经济效益的同时，还具有较好的社会效益，主要体现在确保管输系统的安全可靠运行，减少事故的发生率，大大地降低维修工人的劳动强度。
1.3国内外变频调速技术的应用现状
在国外，随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频调速技术越来越广泛地应用在冶金、机械、石油、化工、纺织、造纸、食品等各个行业以及风机、水泵等节能场合，一些发达国家采用变频调速率己高达70%，并取得了显著的经济效益。
反观国内，我国电机驱动系统的能源利用率非常低，在电机能耗中，高压电机的能耗超过了70%，采用变频调速率只有10%左右，在油田站库储运系统和长输管道系统中的输油泵，绝大多数仍未采用变频调速技术，存在着巨大的能源浪费。
第2章长输管道系统中输油泵机组运行状况调研
2.1变频调速技术的节能原理
变频调速技术通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速,相应地改变机泵的转速和工况,使其流量与扬程适应管网介质流量的变化。
图1特性曲线
如图1所示，N0为泵特性曲线，A0为管路特性曲线，H0为管网末端的服务压力，H1泵出口压力。
当流量达到最大（Qmax）时，泵全速运转，出站阀门全开，达到了满负荷运行，泵的特性曲线N0和管网特性曲线A0交汇于b点，则其工况点为b，此时，泵的出口压力为H1，末端服务压力刚好为H0。
当流量从Qmax减少到Q1的过程中，泵全速运转，靠泵站出口阀门关小控制：
此时，管网阻力特性曲线变陡（A1），泵的工况点由b上滑到c点，而管网所需的扬程将由b点下滑到d点，这样，c点和d点扬程的差值即为定速泵的能量浪费。
泵变速运转，靠管网取不利点压力恒定来控制：
此时，当流量为Qmax下降到Q1时,泵降低转数，泵特性曲线变为N1，工况点为d，正好落在管路特性曲线A0上，这样可使泵工作点始终沿A0滑动。
管网的服务压力H0恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量的浪费，从而达到了调速节能的目的。
2.2变频调速输油泵机组运行稳定性及间接的经济效益
1.由于采用变频系统对输油泵机组进行软启软停，减少了启动过程中的冲击，应用变频调速系统的输油泵机组与定速输油泵机组相比在较低转速下运行，泵轴、轴承、泵叶轮等部件的磨损程度减少，延长了输油泵的保养维护周期。
2.由于定速输油泵机组的泵管压差较大，调节阀维护频次高，不但增加维修成本，而且影响正常生产，应用变频调速的输油泵机组，调节阀全开，彻底解决了这一问题。
3.以轴承为例，变频调速输油泵机组正常运转时轴承温度比定速输油泵机组正常运转时轴承温度低20%左右，这将大大延长输油泵的轴承、机械密封等易损件的寿命，同时运行时噪音降低，在取得显著直接经济效益同时，还具有较好的间接经济效益。
2.3定速输油泵机组在运行中存在的问题及解决方法
对于长输管道系统，由于其系统适应油田开发的前期形势而建成，管道设计输量一般较大，从而造成输油泵机组和管道之间的匹配性越来越差，为了满足离心泵的特性，必须用泵站出口调节阀来调节排量，从而导致了泵管之间的压差增大，泵站出口调节阀节流损失了大量的能源，输油泵做了大量的无用功，缩短了输油泵机组的维护周期和使用寿命。
解决这一问题的途径一般有两条：
一是考虑更换与目前工况相适应的输送设施，包括输油泵及配套电机；二是考虑采用调速技术，通过调速使输油系统的运行状况达到最优化。
第一条途径适合于近期输送量无较大变化的管道系统，但由于油田生产特点（输油量很难稳定不变），很难通过选择和管道完全匹配的泵机组来解决此问题。
因此，只能从改变输油泵的转速入手，来解决泵管之间的匹配问题和多工况下的优化运行问题。
第3章长输管道系统中输油泵机组效能分析
3.1输油泵机组的效能分析方法
为了对泵机组进行效率分析，必须首先获得各种工况下泵机组的输人功率N和输出功率Ne。
输人功率N可以从电机系统所消耗的电度量及运行时间计算得到。
输出功率即有效功率Ne可以通过计算油品通过输油主泵后所增加的能头及流量来计算获得，即：
（1）
式中Ne——输出功率，W；
ρ——油品密度，kg/m3；
H——扬程，J/kg；
Q——体积流量，m3/s。
主泵的扬程H可通过下式计算：
（2）
式中Pd、Ps——分别为泵的出口和入口的压力，Pa；
Zsd——泵入口中心到出口处的垂直距离，m；
Cd、Cs——分别为泵出口和人口处的液体平均流速，m/s。
由于主泵的入口和出口直径相差很小，根据连续方程Cd
Cs，则且泵入口中心到出口处的垂直距离接近于0，即Zsd
0，于是式
（2）可简化为：
（3）
将式（3）代人式
（1）得：
（4）
t时间内泵输出的有用功为：
（5）
式中We——有用功，J；
△V——t时间内泵输送的油品体积，m3。
t时间内泵机组的输入功为：
（6）
式中W——输人功，J；
N——泵机组的输人功率，kw；
t——运行时间，h。
泵机组效率为：
（7）
泵机组的单耗是衡量运行经济性的重要指标。
这里，为计算方便选取单位体积油品所耗能量作为泵机组的单耗进行比较，计算公式为:
（8）
式中σ——泵机组单耗，J/m3。
3.2定速、变频调速输油泵机组效能分析
3.2.1定速输油泵机组效能分析
根据上述分析方法的要求，现场选取新堡站成品油B-16403主泵（定速泵）为研究对象，将各种工况下主泵的运行参数与相关的计算参数列于表1。
表1各种工况下主泵的运行参数
日期
时间
Ps
（MP）
Pd
（MP）
Pd-Ps
（MP）
△V
（m3）
N.t
（KW.h）
η
（%）
σ
（MJ/m3）
2010.4.14
6:
00-7:
00
1.57
5.19
3.62
660
1283.62
51.73
7.002
2010.4.14
21:
00-22:
00
1.71
5.31
3.6
733
1363.42
53.76
6.696
2010.4.14
11:
00-12:
00
1.92
5.49
3.56
770
1307.71
58.23
6.114
2010.4.15
3:
00-4:
00
1.72
5.31
3.59
808
1281.11
62.88
5.708
2010.4.15
10:
00-11:
00
2.02
5.59
3.57
860
1373.70
62.10
5.750
2010.4.20
1:
00-2:
00
1.77
5.41
3.64
890
1409.21
63.85
5.700
2010.4.15
21:
00-22:
00
2.22
5.73
3.51
945
1231.56
74.81
4.692
2010.4.20
16:
00-17:
00
1.92
5.43
3.51
1002
1253.71
77.92
4.504
利用表中数据，作出η-△V、σ-△V曲线，如图2、图3所示。
图2η-△V曲线图
图3σ-△V曲线图
曲线1、曲线2表明，定速泵在不同工况下泵机组的效率会随着泵排量的降低而降低，而泵机组的单耗会随着泵排量的降低而增加，即排量降低，效率降低、单耗上升。
3.2.2变频调速速输油泵机组效能分析
根据上述分析方法的要求，现场选取西靖站成品油B-15404主泵（变频调速泵）为研究对象，将各种工况下主泵的运行参数与相关的计算参数列于表2。
表2各种工况下主泵的运行参数
日期
时间
Ps
（MP）
Pd
（MP）
Pd-Ps
（MP）
△V
（m3）
N.t
（KW.h）
η
（%）
σ
（MJ/m3）
2010.4.12
17:
00-18:
00
4.66
6.39
1.73
672
482.25
66.96
2.584
2010.4.14
7:
00-8:
00
4.81
6.36
1.55
701
433.08
69.69
2.224
2010.4.13
21:
00-22:
00
4.76
6.55
1.79
759
507.98
74.29
2.409
2010.4.13
9:
00-10:
00
4.60
6.87
2.27
800
747.89
67.45
3.366
2010.4.15
4:
00-5:
00
4.29
6.76
2.47
850
796.60
73.21
3.374
2010.4.14
17:
00-18:
00
4.04
7.16
3.12
901
1099.99
70.99
4.395
2010.4.20
15:
00-16:
00
4.25
6.90
2.65
954
938.02
74.87
3.540
2010.4.15
14:
00-15:
00
3.57
7.13
3.56
996
1363.65
72.23
4.930
利用表中数据，作出η-△V、σ-△V曲线，如图4、图5所示。
图4η-△V曲线图
图5σ-△V曲线
曲线4、曲线5表明，变频调速泵在不同排量下泵机组的效率变化不大，而泵机组的单耗却随着排量的降低而降低，即排量降低，泵机组效率的基本相同、单耗下降。
3.3定速、变频调速输油泵机组能耗比较
将不同工况下的定速泵单耗和变频调速泵单耗参数列于表3中。
表3各种工况下定速泵和调速泵的单耗参数
定速泵σ
（MJ/m3）
7.002
6.696
6.114
5.708
5.75
5.7
4.692
4.504
调速泵σ
（MJ/m3）
2.584
2.224
2.409
3.366
3.374
4.395
3.54
4.93
利用表中数据，作出不同工况下定速泵单耗和变频调速泵单耗的对比曲线，如图6所示。
图6单耗对比曲线
通过对新堡站定速泵和西靖站变频调速泵的单耗比较我们不难发现，在低排量的工况下运行时，变频调速泵的节能效果是十分显著的。
第4章输油泵机组变频改造案例分析
4.1实际改造的案例
大庆南—油库试验结果及分析：
南—油库2#输油泵机组（6kV630kW）变频调速系统于2008年4月18号正式投运成功，经过一年多的运行，取得了明显的节能效果，对单泵运行在不同的工况下变频前后的能耗对比数据列于表3。
表3单泵（2#泵单运）变频前后运行数据对比
时间
泵
号
泵压
MPa
管压
MPa
泵管
压差
MPa
电机
电流
A
频率
HZ
转速
rpm
排量
t/h
日耗
电量
KWh
输油
单耗
KWh/t
节电
率%
变频前
2#
1.75
0.53
1.22
70
50
1480
650
14395
0.923
48.3
变频后
2#
0.56
0.55
0.01
36
37
1096
646
7403
0.477
由表中的统计数据可知，在不同的运行工况下，由于2#输油泵变频调速运行，可以产生明显的节电效果：
2#泵单泵运行时与原来同种工况下相比节电率达48.3%；
4.2假设改造的案例
由流体力学可知，N（功率）=Q（流量）×H（压力），其中流量Q与转速n的一次方成正比，压力H与转速n的平方成正比，功率N与转速n的立方成正比，即：
其中：
Q、H、N----离心泵转速为n时的流量、扬程、功率；
Q′、H′、N′----离心泵转速改变为n′时的流量、扬程、功率。
由以上离心泵转速改变前后的关系式可知，如果离心泵转速有很小的降低，则离心泵所需的输入功率会大幅度地降低，从而产生明显的节能效果。
离心泵转速降低在额定转速20%以内时，离心泵的特性曲线的形状与原来相似，其最佳工况点平行移动，泵效不会降低；转速调节幅度降低20%以上转速时，泵效有明显的降低。
假设：
我们对乌兰成品油管道新堡站的B-16403定速输油主泵进行变频改造，现有电机转速为3000rpm/min，若将转速降低20%。
即2400转，则此时流量由原来的1450m3/h，降低1160m3/h。
另外，由于输油泵所需的输入功率与输油泵的转速的三次方成正比，泵转速降低后所需的输入功率达大幅降低。
即有：
根据上面计算，即在转速降低20%的情况下，输油
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