菱科变频器在储油库输油泵的节能应用

一、化奥油库37KW输油泵现在的运行状况
化奥油库输油泵由4台37KW立式油泵组成，主要承担4个工作台中的8个装油点来向运油车进行计量装油工作。每个装油点的管道设计输出流量为每小时60立方，37KW输油泵每小时流量为180立方，一台输油泵承担一个工作台2个装油点的注油工作任务（分别为1号阀门和2号阀门，阀门打开向运油车注油）；而实际生产运营中大部份时间只开启一个出油阀门，二台装油车同时装油很少，原来设计37KW的输油泵时是为二台装油车同时作业而设计，但开启一个阀门时，也要满负荷工作，满负荷工作时油泵输出流量能到达每小时180立方，最终实际使用时才需要它的三分之一流量就能满足生产要求，通过对整个输油系统的工作原理分析，原有的输油泵运行原理存在以下几点问题：
1、37KW输油泵的输出流量过大，在开启一个出油阀时只需要输油泵的三分之一流量，输油泵每次开启都满负载180立方输出运行，这样油泵和管道产生很大压差，形成涡压，管道压差加大时导致电机负荷增大，电流上升，造成电能浪费。
2、油泵由于输出容积大而实际管道输送容积小，这样的工作环境下，输油泵运行中产生了大量的无用功耗，也大大缩短了输油泵电机的使用寿命，加大设备维护成本。
　综合以上的工作背景，有必要对输油泵电机系统进行节能运行升级，利用变频器调速器来运行输油泵，以得到流量和压力可调，根据实际需求的流量和压力来自动控制输油泵系统。
二、输油泵系统采用变频调速运行的节能技术原理
油泵在原有的工作特性为电机启动以50Hz运转，转速为1420r/min转，输出流量180立方，转速与流量压力成正比，如图所示：

图1： 输油泵的工作原理分折

我们从上图可以看出，通过油泵电机转速的变化，流量也随着转速降低而降低，所以只有使用变频器才能使油泵电机的转速变成自由可调，同时也使油泵的流量和压力可调，通过变频的调节来达到现有的生产工艺要求。我们采用北京中达菱科电气有限公司生产的菱科LK600P系列油泵专用变频器，来提高输油泵的工作特性，而且充分利用变频器的调速功能来实现流量和压力可调，以任意调节电机转速来达到目的，同时也起到节约电能、廷长油泵电机的使用寿命，环保节能是本项目的初衷。
输油泵通过变频运行的节能依据?---变频的工作原理在这就不做详细介绍，我们通过下图表进行对比可以看出，变频运行时的电机转速变化，电机负载电流也随着变化。当然由于电机转速的降低变频输出电压也随即降低，通过电压降低，油泵的负荷电流也同样降低。下面所述的数据是本公司在现场电机运行所测的实际数据。图2：表为37KW输油工频运行时的电机负载电流，表1：为37KW输油泵在变频运行时的油泵电机转速、电机运行电流以及在任意转速时的流量变化。

图2： 37KW输油工频运行时的电机负载电流

现场数据：化奥油库一台37KW油泵供给一个工作台二个注油阀工作，一个注油阀设计输出流量为60立方，二个同时打开时，流量在120立方能满足生产要求，怎样实现一个注油阀打开，变频器只需输出一个60立方的准确流量？在以下解决方案中详细讲解。当为一台运油车进行注油工作时，变频器以25Hz运转，电机电流为43A，可以节约电流51A，节电率在60%以下。打开二个注油阀为二台运油车注油时，变频器的工作频率为35Hz，电机电流48A，节约电流26A，节电率在40%以下。
从上列表和现场数据来分折中煤秦皇岛储运中心化奥油库现有输油泵工作原理，我可以看到变频器在运行油泵时起到的作用，通过变频控制输油泵的电机转速,使油泵输出一个合理的流量和压力以满足生产要求，同时也大大降底电机的负荷电流，节能非常明显。
三、变频器控制方式
变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网油压连续变化。压力变送器的任务是检测管网的流量和压力，流量和压力的设定单元为系统提供满足用户需求的流量和压力的期望值。流量和压力的设定信号通过4-20mA电流反馈信号输入变频器后再经变频器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号，变频器接收到4-20mA电流信号时开始工作，先启动输油泵电机，使管网流量油压达到设定值，之后变频器的输出频率随着流量和压力到达顶点时，变频器转速开始下降，直至保持管网压力和流量输送在符合生产要求的所需要预定值内。当输油量增加或开启二个出油阀时管网压力减弱，压力变送器将这一信号处理成4-20mA信号送入变频器，（注：变频器是根据4-20mA电流值大小来决定输出频率的大小，频率大小就是电机的转速高与低），变频器频率开始回升，使变频器的输出频率上升，油泵的转速提高，流量和压力相应上升，如果注油输出流量增加很多，变频器的输出频率将达到最大值50Hz，以上依据，通过变频的内置PID控制能使整套供油系统操作性更强，大大减少劳动密度。
由于整个化奥油库的电气系统采用上位机集控制，输油泵电机采用软启动方式启动，输油泵的启动、停止、分别为集中控制和机旁控制，操作台为二个吏密斯电磁阀，利用电磁阀的开关来承担给运油车注油工作，吏密斯电磁阀带有流量计量和压力变送功能，能为变频器提供一个4—20MA变送信号输出，压力变送值可自由设定大小，所设定的变送值对应4-20MA输出。当菱科变频器的4-20mA信号输入接口收到压力变送器传送的电流信号时，根据信号源大小再通过变频器内置的PID控制计算，能自动完整地使输油泵在预定的流量压力内工作，来达到本生产线的生产工艺要求。
四、系统方案
　　在油库经营生产过程中，输油泵在整个系统中属于非常重要的生产设备，要求变频器能长时间连续运转，应具备的性能外更要有极高的可靠性，在了解现场的生产工艺特点并结合本设计方案，本系统设计时应具备适应现场操作性能，并完全能与原来的电气系统互相兼容，做到按原有控制特性不变；本系统设计时具备以下功能：
1、 变频系统与原动力柜的工频软启动器系统能手动自由切换。一旦变频系统出现某种故障，可以手动切换到原动力柜的工频软启动，当变频系统维修期间，原软启动器系统能正常保障输油泵的运行工作，满足油库的正常生产。
2、 变频系统的运转频率的调节采用PID闭环控制环方式，根据流量压力变送4-20mA的信来决定变频器的输出频率，这样保障输油系统的安全运行又使整套系统更加方便操作性、智能自动化强。

3、考虑到现场的工作环境和设备的安全， 变频控制柜面板不宜设置过多的显示设备，只配置软启动器与变频转换开关、运行指示灯、变频运行故障灯、变频操作显示面板，使变频器的运行参数、电机电流、电机转速一目了然，极大地方便了现场操作人员的操作和对设备运行状态的监控。
4、 变频系统设置6位的密码，可将变频器的运行参数锁定保护，确保变频输油系统不在人为的错误操作下造成输油泵停机，实现系统连续平稳运行。
5、 变频器采用独立配线供电，杜绝电磁对设备相互干扰，保证设备的安全运行。
6、变频系统对输油泵电机实行软启、软停，减少了启动过程中对电网冲击，改善供电质量同时也延长了输油泵电机的保养维护周期，由于使用变频后与原来相比电机转速下降，低速运行对油泵轴、轴承的磨损程度减少，这将大大延长输油泵的轴承，机械密封等易损件的寿命。

五、工程造价
本项目由4台37KW 输油泵组成，变频器选用4台37KW菱科LK600P系列油泵专用型变频器，整个项目造价如下表：
序号 产品型号 数量 单价RMB 总金额RMB 工程总RMB
1 菱科LK600P-037T4 4 17800.00 71200.00
37KW变频器
2 变频柜GPT 4 4300.00 17200.00
3 空气开关、接触器、
显示面板、转换开关、4 5300.00 21200.00 129900.00
指示灯、智能反馈卡
4 控制线和主电机电缆 1 12000.00 12000.00
5 现场接线施工费 1 8300.00 8300.00
六、投资成本收回期
4台输油泵按每天工作12个小时计算，根据实测的平均节电率40%