1、本科毕业论文（20 届）油库输油离心泵机组变频调速节能研究所在学院 专业班级 油气储运工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I目 录中文摘要.英文摘要.1.前言 .31.1 离心泵变频调速技术的现状 .31.2 变频调速未来发展方向 .41.3 本文的研究意义和主要任务 .51.31 本文的研究意义 .51.32 本文的主要任务 .51.4 课题的提出 .52.对于变频技术中变频器的理解 .52.1 变频器的概念 .52.2 变频器的组成及工作原理52.3 变频器的作用 .62.4 变频器的分类 .73.实际泵机工作情况 .83.1 离心泵实际运行情况 .83.2 调速节能原
2、理 .83.3 调速节能的数学分析 .93.4 调速节能的应用 .11小结 .13参考文献 .14附录： .211摘 要 随着我国经济的高速发展以及全球能源的日益减少，节约能源已成为人类关注的焦点。泵类产品属于流体机械，广泛地应用于石油化工，煤化工等化学工业之中，主要作用是输送不同性质的液体，为化学反应提供所需要的压力、流量。离心泵的种类繁多，根据输送介质性质的不同可分为酸泵，碱泵，清水泵，泥浆泵等。而且，输送介质的工作温度和工作压力又可不同。因此，在国内的需求量是非常大的，但每年发电量的 20%-25%都消耗在泵类产品上，而离心泵需求量占泵类产品 50%左右，为我国经济建设中必不可少的机械设
3、备，因此针对离心泵开展的节能工作是非常重要和刻不容缓的。目前，针对离心泵的节能调节方法主要有两大类，一是改变管路的特性曲线，主要措施有：入口节流、出口节流以及旁路回流。其中，以出口节流和旁路回流应用为主。二是改变机泵的特性曲线，其主要措施有：切削叶轮、多级泵减少级数以及改变泵的转速等等。切削叶轮可行，但叶轮切削后不能恢复，其使用范围有限，多机泵减少级数只能是整数拆除，只使用于工况相对稳定的情况。最好的方法还是改变泵的转速，实现泵机的无级调速。本文结合离心泵实际运行情况，在分析离心泵调速节能理论的基础上，对泵调速节能进行了理论数据分析，总结了离心泵调速前后的功率变化关系式，以及与之相关的其他影响
4、因素：变频电机和管道的特性等，结合实际范例对离心泵的变频调速功能和应用前景进行了相关讨论。关键词 离心泵 变频调速 数据分析 节能 2Abstract With Chinas rapid economic development and global energy decreasing，energy conservation has become the focus of attention. Pump products belong to fluid machinery, widely used in petrochemical,chemical industry, coal conveyi
5、ng different kinds of liquid, provides chemical reactions need pressure, flow rate. The centrifugal pump are various 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 b
6、e different. Therefore, in the domestic demand is very big, but 20%- 25% of electricity annually are spent pumps products, 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 centrif
7、ugal pump is very important and urgent. At present, the energy saving for centrifugal pump adjustment methods basically 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 throttlin
8、g and bypass backflow application primarily. The another one is to change the performance curves of pump, its main measures 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 li
9、mited, many pump reduce series is only integer, use only to dismantle relatively stable situation.The best way is to 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 t
10、he theory of the pump control energy-saving, theoretical data analysis, summarizes the centrifugal pump speed and power changes relationship, and related other influencing factors:frequency conversion motor characteristics of pipeline and the practical example, the frequency conversion of centrifuga
11、l pump function and application prospects are related discussion. Keywords Centrifugal pump；variable frequency speed control；Data analysis；energy-saving31.前言1.1 离心泵变频调速技术的现状1.1.1 引言从 20 世纪 20 年代起，低速的、流量受到很大限制的活塞离心泵逐渐被高速的离心离心泵和回转离心泵所代替。但是在高压小流量领域往复离心泵仍占有主要地位。直到在世纪末，英国的雷诺和德国的普夫莱德雷尔等学者的理论研究和实践的基础上发明的高速
12、电动机使离心离心泵获得理想动力源之后，它的优越性才得以充分发挥，离心泵的效率也得到了大幅度地提高。而随着离心泵的不断发展，跟离心泵相关动力电机也有了很大的发展。目前，比较主流的就是离心泵电机的变频调速技术。这是一种通过改变电源频率来调整电动机转速的连续平滑调速方法，主要应用于同步电动机和鼠笼型异步电动机。应用这种变频调速技术的离心泵能平滑地调节电动机同步转换，实现泵转速的无级调速，而且这种电动机的启动能耗小，能避免对电网的电流冲击，减少能量的损耗，间接达到了节能的目的。变频调速是最有发展前途的一种交流调速方式。目前，变频器调速控制系统广泛应用于冶金、机械、矿山、石油、化工、水泥、纺织、造纸、印
13、染、铁路、船舶等行业。相信经过技术革新它的性能范围和使用领域也变得更加广阔，在国家的可持续发展和环保节能方面贡献其特有的一份力量。1.1.2 调速的定义和分类目前，电机调速在定义上就是通过一定的方法来实现改变电机转速的目的的一类方法。其中，三相异步电动机的转速公式为：n=60f(1-s)/p 1从上式可见，改变供电频率 f、电动机的极对数 p 及转差率 s 均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非就是改变了交流电动机的同步转速或者不改变同步转速两种方式。不过，生产机械中常常使用不改变同步转速的调速方法来进行调速，具体有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用
14、电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。如果改变同步转速的话，那就有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速的有能无换向电动机调速等多种方法。从调速的能耗观点来说，一共具有高效调速方法与低效调速方法两种方法：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等） 。有转差损耗的调速方法属低效调速，如：转子串电阻调速方法，能量在转子回路中里损耗；电磁离合器的调速方法，能量在离合器线圈内损耗；液力偶合器调速，能量在液力偶合器的油中也有损耗。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗一般是很小的。1.1
15、.3 变频调速关键技术发展油泵是油库生产运行中重要设施，也是油库内主要的能耗设备。在调节流速的过程中，由于油泵的特性和管路特性的不匹配，在实际运行中需要根据运行工况控制输油泵出口阀门的开度来调节流量，以满足生产工艺的需要。这种流量调节方式容易在油泵出口阀门前后产4生比较大的泵管压差，使得大量的能量消耗在泵出口阀前后，造成能源能量的浪费。因此在输油泵机组上推广变频调速系统是很有必要的。因为变频调速系统能够实现通过改变输油泵的转速来进行不同的工况调节，从而消除由于泵管压差而产生的节流能量损失，改善了输油工艺，也就降低了输油单耗，降低了油库输油电能成本。变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其
16、同步转速的一种调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用前一种：交流直流交流变频器。其具有优点：效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；缺点：技术复杂，造价高，维护检修困难。目前，电压为 6KV 的高压变频调速系统正处于技术发展的关键阶段，其基本原理为通过“交流一直流一交流”的逆变过程，改变电机定子的电压频率来达到改变电机的转速这一目的的。高压电机调速的方式从技术实现途径上又可分为“高一低一高” 、 “高一高” 、 “IGBT直接串联”等几种方式。其中“高一低
17、一高”方案中需要多一级升压变压器，设备结构庞大，系统效率相对较低，属于落后淘汰技术。 “高一高”方式直接采用 6KV 电压输入，6KV 输出无须升压变压器，系统效率相对较高，目前采用该形式的变频调速系统应用比较多。 “IGBT直接串联”型变频器采用 1700V 高压 IGBT 原件，具有元件数量少，占地空间小等优点，但是由于 IGBT 元件直接串联，从技术性能上来说现有技术尚不成熟，如果应用的话具有一定的风险性。1.2 变频调速未来发展方向 21.2.1 低电磁噪音静音化新型通用变频器通过输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正电路 APFC，在逆变电路中采用 soft-PWM 控制技术，以改善输
18、入电流波形、降低电网谐波，在抗干扰和抑制谐波方面符合 EMC 国际标准，实现清洁电源的变换和更低噪音运行。1.2.2 系统化、网络化作为发展趋势，通用变频器从单机的数字式、模拟式、智能化、多功能化向集成化和系统化发展，使变频器、伺服装置、控制及通讯装置等集成配置，目的是为用户提供最佳的系统功能。而且新型通用变颇器可提供多种兼容的通信接口，支持多种不同的通信协议，内装RS485 接口，可由个人计算机向通用变频器输入运行命令和设定功能数码等，通过选件可与现场总线通讯。1.2.3 增强变频器的功率器件变频技术是建立在电力电子技术基础之上的，应用最多的功率器件有GTO、 GTR、TGBT 及智能模块
19、IPM（Inteligent Power Modulr） ，后面两种集 GTR 的饱和和电压特性和 MOSFET 的高频特性于一体，是目前通用变颇器中最广泛使用的主流功率器件。由于 IPM 包含 IGBT 芯片及外围驱动和保护电路，因此是变颇器的一个发展趋向。1.2.4 开发清洁电能的变流器所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为 1，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动对中小容量变流器，提高开关频率的 PWM 控制是有效的。对大容量变流器在常规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。1.2.5 参数自调整5用户只要设定数据组编码，而不用去
20、逐个逐个设置参数，通用变频器会将运行参数自动调整到最佳状态。 （目前矢量型变频器可对电机参数进行自调整）1.3 本文的研究意义和主要任务1.31 本文的研究意义响应国家节能减排的号召，通过对现在正在运行的离心泵机组进行原理与数据分析，了解其采用了变频调速技术后能够产生多大的效益，使得大多数使用离心泵的油泵站通过本次研究的结果能够明白，如果离心泵采用变频调速技术能够产生的实际的经济效益和带来的环保节能意义，同时也展望了未来全局变频调速技术的改革以及努力的方向。1.32 本文的主要任务通过对某油库泵房的离心泵机组工况数据的采集和分析，根据现有知识、方法和资料对油泵站输油离心泵的变频调速技术的实际运
21、行情况和运行后能够产生的节能效果进行一定的研究分析，了解油库离心泵的具体使用情况，使得油库管理者对于输油泵的成本管理运行进行控制提供了一定的参考依据。1.4 课题的提出目前，国内交流变频调速技术产业状况表现如下：（1）变频器整机技术相对落后，在国内，虽然有很多单位投入了相当力度的人力、物力，但由于研究力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模。（2）关于变频器产品所需要的半导体功率器件的生产制造业几乎还是空白。（3）变频器的相关配套产业和行业落后。（4）变频器产量、销量相对较少，产品质量可靠性和工艺水平普遍不高。对于变频器和变频技术知识的了解和分析，知道了在我国大多数输油泵组的具体调速的现有方法
22、以及未来努力的方向。但是，由于在我国还没有较大范围的推广一些高端精细的变频器，所以在这里，本文就较原来油库输油泵的调速方式和新型的调速方式进行相对的横向比较，从而得出到底在什么地方能够较原来的调速方式有着更大的优势。2.对于变频技术中变频器的理解2.1 变频器的概念变频器是一种应用变频技术与微电子技术的电力传动元件，其主要通过改变泵电机的工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的。2.2 变频器的组成及工作原理2.2.1 变频器的基本构成变频器的发展历程已有数十年的历史了，在变频器的发展过程中曾出现过许多不同类型的变频器。发展到至今为止，市场上主流的变频器主要由四部分组成：整流单元、高容量电
23、容、逆变器和控制器。6图 1 变频器结构图2.2.2 变频器工作原理 3变频器的内部电路大体可分为主电路和控制电路两部分。主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上又可分为两类：一是电压型，将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。二是电流型，将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流电路” ，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的”直流中间电路” ，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变电路” 。一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变
24、电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式可以是直流电压源也可以是直流电流源。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。当整流电路是电压源时直流中间电路的主要元器件是大容量的电解电容，而当整流电路是电流源时直流中间电路则主要由大容量电感组成。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其他辅助电路。逆变电路是变频器最主要的部分之一。它的主要作用是在控制电路的控制下将直流中间电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。控制电路
25、是给主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路” ，主电路的“电压、电流检测电路” ，电动机的“速度检测电路” ，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路” ，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。 （1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。 （2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。 （3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。（4）速度检测电路：以装在异步电动机轴机上的速度检测器的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 （5）保护电
26、路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。2.3 变频器的作用变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。变频器的作用是去改变交流电机供电的频率和幅值，从而改变工作运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转7速的目的的。变频器的出现，使得复杂的调速控制变得简单化，变频器和交流鼠笼式感应电动机的组合方式替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了设备体积，降低了设备维修率，使得传动技术发展到了一个新的阶段。变频器可以优化电机运行，所以也能够起到增效节能的作用。所以努力在我国的泵类电机上增设变频器是
27、多么迫切的一件事啊。2.4 变频器的分类2.4.1 按变换的环节分类(1)交流-直流- 交流变频器，则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器。 (2)交流-交流变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器。 2.4.2 按直流电源性质分类 2(1)电压型变频器 电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。 (2)电流型变频器 电流型变频器特点是中间直流环节采用
28、大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流源型变频器（电流型） 。电流型变频器的特点（优点）是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。 2.4.3 按主电路工作方法可分为电压型变频器、电流型变频器。2.4.4 按照工作原理分类可以分为 V/f 控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等。2.4.5 按照开关方式分类可以分为 PAM 控制变频器、PWM 控制变频器和高载频 PWM 控制变频器。2.4.6 按照用途分类可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。 2.4.7 按工作
29、原理分可以分为 U/f 控制变频器（ VVVF 控制） 、SF 控制变频器（转差频率控制） 、VC 控制变频器（Vectory Control 矢量控制) 。2.4.8 按国际区域分类可以分为国产变频器；欧美变频器、日本变频器、韩国变频器、台湾变频器、香港变频器 。2.4.9 按电压等级分类可以分为高压变频器、中压变频器、低压变频器。83.实际泵机工作情况离心泵在石油化工企业中应用十分广泛，是生产、运输环节的重要设备之一，据有关资料报道，目前石油企业的许多机泵的运行很不经济，不但泵与电机的实际运行效率低，而且泵的剩余扬程也高，平均能量利用率仅为 30%左右，低的甚至不足 10%。鉴于以上情况，
30、目前石油化工企业广泛采用变频调速节能技术。3.1 离心泵实际运行情况离心泵在应用中，对流量进行调节的原因首先是设计选型，因设计流量和扬程是千变万化的，但泵只能按系列生产，其提供的流量扬程是间断的，势必造成所选泵型与实际操作不完全匹配，需要进行相应的调节；其次，受原料供应及产品销售等市场因素的影响，可能使机泵不能在满负荷下运行，也要进行节流调节；第三，受操作工况的影响，如成品油汽车装车，可能同时装四、五辆，也可能只装一辆，这种情况也需进行相应的调节。目前，常用的调节方法有两大类，即改变管路的特性曲线和改变泵的特性曲线。改变管路特性曲线的措施有：入口节流、出口节流和旁路回流。其中，以出口节流和旁路
31、回流应用较多，由于泵的汽蚀问题而很少用入口节流。改变机泵特性曲线的措施有：切削叶轮、多级泵减少级数、改变泵的转速等。切削叶轮可行，但叶轮切削后不能恢复，其使用范围有限，多机泵减少级数只能是整数拆除，只使用于工况相对稳定的情况。最好的方法是改变泵的转速。3.2 调速节能原理 4调速节能的原理在于提高机泵组的能量利用率，使能量的需求与供应相匹配，减少泵机工作时的能量损失。能量利用率是对泵机组能耗评价的重要标志，它与管道设计、机泵选型、泵和电机的运行效率有密切关系。具体可以用式（1）来表示：= 100%/xbHe或 = (1 一H/ ) 100% （1）be式中 能量利用率，%； 泵的运行效率；b
32、电机的运行效率；e需要的泵扬程，m；x泵出口实际扬程，m；bHH泵的剩余扬程，m；H= - ，mbHx从式(1)中可知，要提高能量利用率，就应该提高泵和电机的运行效率，减小泵的剩余扬程。当泵的制造技术达到一定水平时，其效率很难继续提高。目前国产高效离心泵的效率为65%75%，还有一定的潜力，进口优质泵的效率为 70%80%。电动机的效率比较高，一般在 90%以上。当泵和电机已确定时，系统的能量利用率主要与泵的剩余扬程有关，其次是泵的运行状态(跟运行时是否在高效区有关 )。变频调速就是从这两个方面来提高能量利用率的，从而达到节能目的。理论上通过适当调节，可使剩余扬程为零，并使泵在高效区工作。对剩余扬程较高的系统，其节能效果是相当可观的。由图 2 可知，当系统在 M 点(通常称为泵和管道系统的工作点) 工作时， 和 相等bHxH=0，没有扬程损失，能量利用率较高。当操作流量减少时，H 增大，扬程损失消耗在出
