关键词：高压变频调速装置；海水泵；LNG接收站；变频运行；节能

Abstract：This paper focuses on the analysis of the unit series AC-DC-AC high-voltage frequency conversion speed regulation device in Tangshan LNG terminal seawater pump A and pump B and the actual frequency conversion operation status. The results show that the high-voltage frequency conversion speed regulating device is adopted on the seawater pump of LNG terminal, which has the characteristics of high efficiency and stability, no impact on the power grid, and obvious energy-saving effect.

Key words: High-voltage inverter; Seawater pump; LNG terminal; Variable frequency; Energy conservation

1背景

唐山LNG接收站内共计有4台（一大三小）海水泵向3台ORV输送海水，用于LNG气化外输。大、小泵的规格分别如下：

大泵配有额定容量为2300KVA的高压变频调速装置，一台小泵配有额定容量为1200KVA的高压变频调速装置，另外两台小泵工频运行，高压变频调速装置均采用单元串联，交直交，高高方式^[1]。

2传统设计使用的弊端

根据ORV运行工况变化，需要海水泵在保证供水压力不小于0.2MPa（此时ORV海水喷淋口的压力不小于0.1MPa）的同时调节输出海水流量。在传统设计中，采用改变开泵台数粗调海水流量，采用调节海水阀门开度的方式细调海水流量。这种调节方式成熟、可靠，但带来的问题是轻载运行时水泵工作效率低，耗电量大，流量变化时需要频繁调节阀门、启停泵机，对管路和机械构件的冲击和磨损加剧，缩短了整个水泵系统的运行寿命。

3工频运行与变频运行模拟分析

3.1一台小泵运行

当流量需求小于8000 m³/h，启动一台小泵即可满足要求。如图1所示，F1为小泵按照工频50Hz运行时的流量-扬程曲线，F2为小泵按照48Hz运行时的曲线，F3为按照45Hz运行时的曲线。当小泵工作在工频时，管路特性曲线为Hc1，此时小泵的供水流量为8000 m³/h，扬程30m，工作在A点。

此时小泵电机轴功率为：

P_A=9.8*1.025*H_A*Q_A/η_A=9.8*1.025*30*8000/3600/0.85=787kW

其中9.8为重力加速度，1.025为海水密度，η为水泵效率，从泵机特性曲线获得。

当ORV产量下调，对海水流量需求降低到6400 m³/h，如果采用小泵工频运行和调节海水阀门的方式，阀门开度降低，管道特性曲线由Hc1过渡到Hc2，则水泵工作点由A转移到A1，此时小泵电机的轴功率为：

P_A1=9.8*1.025*H_A1*Q_A1/η_A1=9.8*1.025*32*6400/3600/0.80=714kW

与工作点A相比，小泵的输出扬程增加2m，流量减小20%，但轴功率下降不到10%。

此时，如果将小泵的功率频率由50Hz降低到45Hz，此时小泵的工作曲线变为F3，由于阀门开度未变化，管路特性曲线依然为Hc1，此时小泵的工作点由A转移到A2，电机的轴功率为：

P_A2=9.8*1.025*H_A2*Q_A2/η_A2=9.8*1.025*26*6400/3600/0.83=559kW

与工作点A1相比，小泵的流量相同，但轴功率小了155kW，节能20%以上。虽然扬程有所下降，从32m下降到26m，但依然能够满足工艺需求。

图1 一台小泵调节阀门运行与变频运行对比

可以看出，对于一台小泵的运行工况，采用水泵变频调节流量比阀门调节流量有明显的节能效果。

3.2两台小泵并联运行

当流量需求大于8000 m³/h，小于14000 m³/h时，需要启动两台小泵来保证流量，此时可以有三种流量调节方式：两台小泵并联工频运行、阀门调节；一台小泵工频、一台小泵变频调节；两台小泵并联变频调节。

两台小泵工频并联与变频并联的运行对比如图2所示。其中F1、F2、F3、F4分别是单台小泵按照50Hz、48Hz、46Hz、45Hz运行时的Q-H曲线，F5、F6、F8、F7分别是两台小泵并联运行时50Hz、48Hz、46Hz、45Hz的Q-H曲线。可以看出，在不考虑两台小泵之间差异的情况下，不论是工频调阀门还是变频运行，均能很好的做到均流，两台泵均能均衡的工作在A12点和A21点。同时与3.1节分析类似，在相同的流量调节目标下，采用变频运行方式节能效果更明显。

图2 两台小泵工频并联调节阀门运行与变频运行对比

对于一台小泵工频运行，通过另外一台小泵变频调节输出流量的情况（即一工一变运行），可参看图3示意。F4为两台泵均为50Hz运行曲线，F5为一台50Hz、一台48Hz运行，F6为一台50Hz、一台45Hz运行。对于一工一变运行，当变频水泵按照50Hz运行时，工作点在合成水泵曲线F4的A点，总输出流量为13600m³/h，此时两台水泵各自在A11点运行，输出流量均为6800 m³/h，效率82%左右。但当水泵工作点由A转向A2，输出总流量减小为11200 m³/h时，工频运行水泵由A11沿F1曲线转移到A21，输出流量为8600 m³/h，处于轻微过载情况；变频运行水泵改为45Hz运行，由F1曲线的A11转移到F3曲线的A22，输出流量仅为2600 m³/h，由于此时变频泵处于高扬程，低流量的工况下，效率较低。

此外，从图3的A、A3、A2三个工作点比较可以看出，随着变频泵的频率从50Hz逐渐将为48Hz、45Hz，变频泵的扬程逐渐降低，流量减少，工作点的扬程也随之降低，使得总流量减小，而同时工频泵的扬程降低，使工频泵的流量反而增加，并可能出现过载情况。此时变频泵效率严重降低，且极易产生汽蚀现象，易造成泵的损坏。因此一工一变运行时，变频泵的频率调节范围不能过大，当管路特性曲线越平缓，调节范围越小。

综合来看，对于两台小泵并联的情况，为实现流量从13600 m³/h减小到11200 m³/h，若采用工频运行结合阀门调节方式，两台水泵的轴功率相同，总功率为：

P_A1=9.8*1.025*H_A1*Q_A1/η_A1=9.8*1.025*34*11200/3600/0.75=1417kW

对于采用一工一变运行方式，两台水泵的轴功率不同，分别为：

P_A2工=9.8*1.025*H_A2*Q_A2工/η_A2工=9.8*1.025*28.5*8600/3600/0.84=814kW

P_A2变=9.8*1.025*H_A2*Q_A2变/η_A2变=9.8*1.025*28.5*2600/3600/0.40=516kW

P_A2= P_A2工+ P_A2变=814+516=1330kW

对于采用全变频运行方式，两台水泵的轴功率相同，总功率为：

P_A3=9.8*1.025*H_A3*Q_A3/η_A3=9.8*1.025*28.5*11200/3600/0.8=1113kW

图3 两台小泵工频并联调节阀门运行与一工一变运行对比

可以看出，对于两台小泵并联运行来说，采用全变频运行方案在保证两台水泵负载均衡的同时，可以实现最好的节能效果，案例中的节能效果超过21%；对于一工一变运行方案，虽然可以实现少量的节能（约6%），但会造成两台水泵的负载不均衡，频率调节范围越大，不均衡度约严重，会造成工频泵过载、变频泵效率低下，有汽蚀风险。

3.3一台大泵运行

当流量需求进一步加大时，虽然两台小泵并联运行时的流量和扬程与大泵相当，但考虑到大泵的效率较高，故可只启动一台大泵运行。一台大泵的流量调节方式与3.1节一台小泵的分析过程相似、结论相同，故不再累述。

3.4大泵与小泵并联运行

当所需流量大于18000 m³/h时，需要大泵与一台或两台小泵并联，提供ORV的用水量。由于大泵和小泵的扬程相近，并联运行时流量可以叠加，故可以将该系统简化为与3.2相类似的两台泵的运行方式，对于三种运行方式（全工频结合阀门调节、部分工频部分变频、全部变频）各自的优缺点，其结论也与3.2的结论相同。如图4所示，F1、F2分别为小泵和大泵单台运行时的Q-H曲线，F3为两台小泵工频并联时的运行曲线，F4为一大泵一小泵工频并联运行曲线。

图4 ORV海水泵四种运行工况曲线

4实测变频运行节电率

4.1小泵变频运行节电率

小泵变频运行多以46Hz和48.5Hz状态运行。

46Hz时，海水泵变频运行的总功率为729kW；

48.5Hz时，海水泵变频运行的总功率为846kW；

实测功率数据包含了电机和变频器效率，因此泵轴功率=实测功率*电机效率*变频器效率。

电机效率取额定效率为0.946，变频器效率取0.96。

Ø 46Hz运行时，海水泵变频运行实测的总功率为729kW，

 泵轴功率=729*0.946*0.96=662kW

Ø 48.5Hz运行时，海水泵变频运行实测的总功率为846kW，

泵轴功率=846*0.946*0.96=768kW

根据46HZ和48.5HZ时对应的流量分别为7360 m³/h和7760 m³/h，查泵性能曲线图获得50Hz运行时的轴功率分别为760kW和780kW。

节电率计算结果如下：

Ø 46Hz运行时，节电率=（760-662）/760*100%=12.89%

Ø 48.5Hz运行时，节电率=（780-768）/780*100%=1.5%

4.2大泵变频运行节电率

大泵变频运行多以44Hz和48.5Hz状态运行。

44Hz时，海水泵变频运行的总功率为954kW；

48.5Hz时，海水泵变频运行的总功率为1693kW；

实测功率数据包含了电机和变频器效率，因此泵轴功率=实测功率*电机效率*变频器效率。

电机效率取额定效率为0.946，变频器效率取0.96。

Ø 44Hz运行时，海水泵变频运行实测的总功率为954kW，

 泵轴功率=954*0.945*0.96=866kW

Ø 48.5Hz运行时，海水泵变频运行实测的总功率为1693kW，

泵轴功率=1693*0.945*0.96=1536kW

根据44HZ和48.5HZ时对应的流量分别为14520 m³/h和16005 m³/h，查泵性能曲线图获得50Hz运行时的轴功率分别为1520kW和1580kW。

节电率计算结果如下：

Ø 44Hz运行时，节电率=（1520-866）/1520*100%=43%

Ø 48.5Hz运行时，节电率=1580-1536）/1580*100%=2.78%

5结论

（1）与工频配合阀门调节方式相比，在ORV轻载运行时可有效降低水泵运行功率，实现节能降耗。

（2）通过改变水泵运行台数粗调，通过变频运行细调，实现对海水流量的精准控制；

（3）消除水泵全压启停时对水泵和管路的冲击及水锤效应；

（4）减小启停机时对电网的冲击，提高电能质量；

（5）与ORV的DCS控制配合，提高海水泵系统的自动化水平，提高流量控制响应速度。

参考文献                                                                                                                                                 
【1】李崇坚.2006.交流同步电机调速系统.北京：科学出版社                                                                                                

   作者简介

路文文（1988），男，大学本科，工程师，主要从事LNG接收站电力系统运行管理工作。