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油庫的油品輸送業(yè)務(wù)非常廣泛，例如，液態(tài)介質(zhì)的存儲、收發(fā)和管理等都離不開油品輸送。從原理上來說，輸油系統(tǒng)基本是利用一單臺或多臺具有相同或相近性能的離心泵將油品通過工藝管道輸出至下一級使其能夠進入下一步工序的過程[1]。但由于運行過程中諸如油品溫度、油品粘度、油品輸送量以及其他參數(shù)等的變化，對離心泵也有了不同的類型和功能要求[2]。本文具體探討了基于離心泵的機場油庫變頻技術(shù)應(yīng)用方法與效果以及相關(guān)注意事項。
1離心泵在機場油庫中的應(yīng)用
離心泵是一種通用的流體機械，在化工工業(yè)系統(tǒng)當中被廣泛應(yīng)用。離心泵具有適應(yīng)性強、結(jié)構(gòu)較簡單、容易操作、運轉(zhuǎn)費用低以及占地占空間少等許多優(yōu)點[3]。機場油庫主要就是利用其將油罐里的油品輸送到飛機或者罐式加油車油罐里。泵也是能耗極高，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，泵耗能大約占全世界總耗能的兩成，也就是20%，這一比重在石油化工領(lǐng)域更是高達五成。所以，加強對泵耗能的減耗研究極具現(xiàn)實意義，同時，也關(guān)系著整個社會的經(jīng)濟效益與社會效益。由于機坪加油是動態(tài)的，因此，油泵輸出應(yīng)與機坪需求及時匹配。而用油和供油之間的不平衡集中反映在輸出管網(wǎng)壓力上，即用油多而供油不足，輸出管網(wǎng)壓力低;用油少而供油多，則輸出管網(wǎng)壓力大。保持供油壓力的相對恒定，可使供需之間保持平衡，提高提供給機坪管網(wǎng)的穩(wěn)定性，減少對加油設(shè)備、飛機油路的沖擊。由于機坪的工況復(fù)雜和動態(tài)性，油泵為滿足其需求，要不斷的調(diào)節(jié)輸出的流量和壓力。過去，離心泵的調(diào)節(jié)，普遍采用閥門控制、啟閉旁通等方法，帶來泵機組效率低下、電流沖擊、時間滯后、能量消耗極大，在變頻技術(shù)不斷發(fā)展、工業(yè)化應(yīng)用不斷拓展的現(xiàn)在，變頻調(diào)節(jié)不斷顯示出其便捷性和經(jīng)濟性優(yōu)勢[4]。
2油品輸送的離心泵方式與缺點
2.1離心泵的種類及使用
根據(jù)構(gòu)造和用途，離心泵主要分為:常溫中低壓水泵、常溫中低壓石油化工泵、高入口壓力離心泵、高溫離心泵、低溫離心泵、無泄漏離心泵、耐腐蝕離心泵等。由于目前國內(nèi)民用機場油庫一般只儲存單一航空油料，處于機場附近，一般選用低揚程、大流量的常溫中低壓力油泵。
2.2離心泵傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式的缺點
油泵額定流量和揚程是個固定范圍，超出這個范圍，泵的效率就會大幅下降。而在實際工作中，由于工況的不斷改變，帶來實際揚程、流量的不斷變化，進而影響到泵機組的效率也在不斷變化，影響到能源的使用，能源利用效率在泵機組能耗評估中是一個標志參數(shù)，它關(guān)系著機泵型號選擇、運行效率以及管路設(shè)計，見公式(1)～(3):傳統(tǒng)方法是利用油泵調(diào)節(jié)閥對泵的工作狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)行為是機械的。判斷標準是泵輸出量與揚程是否大于系統(tǒng)所需要的量和揚程，此種機械調(diào)節(jié)方式的弊端是會犧牲多余流量和揚程，好處是能及時實現(xiàn)系統(tǒng)工作的恢復(fù)平穩(wěn)。通過上述公式不難看出，在確定泵和電機情況下，系統(tǒng)的能源利用效率與泵剩余揚程和泵的自身效率直接相關(guān)。采用傳統(tǒng)方法，泵和電機要么剩余揚程過多，通過打開調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié);要么剩余揚程不足，直接啟動第二臺工作泵機組，這樣并不會得到抑制剩余揚程過高的積極結(jié)果。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，油泵普遍的運行功率為額定功率的七成，可利用能源效率僅能達到三成，部分效率低下者甚至不足一成。因此，傳統(tǒng)的機械式調(diào)節(jié)方式，極容易造成能效低下，還會帶來因機械式動作產(chǎn)生靜電、電機及油泵頻繁啟停而過熱、機械沖擊等安全隱患。在實際使用中，系統(tǒng)運行狀態(tài)僅僅依靠機械的節(jié)流閥操作，極易導(dǎo)致加油系統(tǒng)的工作狀態(tài)不斷惡化，甚至造成油泵難以正常工作的惡果[6]。但若采用了變頻技術(shù)進行速度調(diào)節(jié)，則可以從根本上進行泵速調(diào)節(jié)，改變油泵特性，讓油泵的出口揚程能夠?qū)崿F(xiàn)與管道總壓相一致或大致相等，不僅不會出現(xiàn)剩余揚程過高的浪費問題，也能讓能源利用效率得以提高，泵始終保持高效率工作。
3油品輸送的離心泵變頻調(diào)節(jié)方法
為了滿足機坪用油需求，作者推薦使用多泵并聯(lián)變頻恒壓控制法。采取多泵并聯(lián)變頻恒壓控制方式，實質(zhì)上是通過啟停泵臺數(shù)來進行較大區(qū)間的流量控制，通過變頻泵的流量動態(tài)變化來進行恒壓供油。這種方法不但節(jié)能效果明顯，同時還會因為調(diào)節(jié)點與管道工程曲線保持一致，因此，可以實現(xiàn)對管道各點所需流量及壓力的滿足[7]。一般來說，具體的配置模式有多變頻泵組并聯(lián)工作方式、變頻器循環(huán)啟動工作方式、固定變頻泵工作方式三種。
3.1多變頻泵組并聯(lián)工作方式
多變頻泵組并聯(lián)工作方式就是一臺變頻器帶動一臺泵機組，然后多臺變頻泵機組并聯(lián)恒壓供油。采用此工作方式的油庫，在當用油量小于一臺泵的額定流量時，可以實現(xiàn)平穩(wěn)的變流量保壓，當用油量大于一臺泵的額定流量時，正在運行的變頻泵固定在額定流量高效區(qū)運行，第二臺變頻泵啟動并起動態(tài)流量調(diào)整作用，當用油量需求再次超過兩臺泵額度流量時，第三臺泵啟動并變頻調(diào)速，而前兩臺泵處于額定流量工況運行，以此類推。此種方式，可以最大限度減少電流沖擊、流體和機械沖擊，綜合節(jié)能效果最好。但采取一對一變頻控制，設(shè)備投資相對較大。隨著變頻器技術(shù)成熟和成本下降，今后將是追求高可靠性和節(jié)能效果的大型機場油庫使用的主要方式。
3.2變頻器循環(huán)啟動方式
此種供油模式作用下，供油量低于油泵額定量時，油泵會自動進行供油量調(diào)節(jié)，而當供油量大于額定量時，則可以將油泵直接切換至電網(wǎng)進行供電，而將另一臺油泵并入網(wǎng)絡(luò)進行工作。如此一來便能形成一個循環(huán)切換和并入的良性網(wǎng)絡(luò)，確保運作的平穩(wěn)與正常。這種方式實際是就是把一臺變頻器當作軟啟動器輪流啟動各臺泵，且任何一臺并聯(lián)泵都有可能成為變頻泵。該方式投入小，能滿足啟動平穩(wěn)無沖擊，但在流量下降迅速時，無法做到全程平穩(wěn)停泵，此時管網(wǎng)沖擊和機械沖擊較大。因為變頻器不允許運行中的輸出端口切換，這樣會造成電子器件因大電流沖擊造成損壞，所以，為了保護變頻器，需求設(shè)置較為復(fù)雜的用于控制的其他電路，這樣就會造成變頻控制柜造價過高而其運轉(zhuǎn)的可靠性降低，且切換電路轉(zhuǎn)換有一定滯后，如果在變頻器保護跳閘時，整個系統(tǒng)將會停止工作，中斷供油。這個缺點顯然不能滿足機場油庫供油不能中斷的要求，因此，不建議使用該方式。
3.3固定變頻油泵方式
固定變頻油泵的方式是，當供油量低于單油泵額定量的時候就由一臺變頻油泵進行調(diào)速的平衡壓力供油;用油流量增大超過泵額定流量，就將變頻油泵進行調(diào)速調(diào)節(jié)，而由另一臺單工頻油泵的定額定流運行，如此循環(huán)，其他并聯(lián)系統(tǒng)中的工頻油泵皆按照同樣原理運轉(zhuǎn)。當用油流量下降時，變頻器頻率接近零時，自動關(guān)閉一臺工頻泵，變頻泵轉(zhuǎn)速再上升以滿足所需流量。該運行方式避免了電路切換，使得控制電路簡化，穩(wěn)定且可靠，兼顧了效率和設(shè)備投資，如果再匹配上可編程邏輯控制器(俗稱PLC)，還可實現(xiàn)變頻器、軟啟動器自動配合，加油管網(wǎng)自動保壓，達到油庫運行自動化運行，進一步提升油庫的安全保障能力。因此，筆者認為該方式適宜在國內(nèi)機場油庫推廣。
4離心泵變頻調(diào)節(jié)方式的優(yōu)點
4.1具有顯著的節(jié)能效果
由于電動機輸出動力與轉(zhuǎn)速的三次方成正向變化，即能耗與轉(zhuǎn)速的三次方成正向變化，若降低電機的轉(zhuǎn)速，則耗電量急劇下降。因此，運用變頻技術(shù)，調(diào)節(jié)供電頻率，降低電機轉(zhuǎn)速，可降低無功損耗，顯著提高能量利用率。
4.2有利于保護設(shè)備，提升安全性
通過變頻技術(shù)，能使輸送的油料的流態(tài)均勻、平滑變化，減少了靜電產(chǎn)生，有效防止節(jié)流閥頻繁操作損壞閥門、油泵及管路等設(shè)備，尤其是避免了管路內(nèi)油料急劇變化出現(xiàn)的水擊現(xiàn)象，確保了加油系統(tǒng)平穩(wěn)、安全地連續(xù)工作。
4.3便于控制
變頻調(diào)節(jié)多采用通過壓力傳感器控制輸出壓力，輔以流量傳感器進行流量監(jiān)控，最終達到控制輸出流量的目的。該方案簡單可靠，顯示直觀，易于實現(xiàn)自動化控制和過程控制，避免了反復(fù)操作調(diào)節(jié)閥門，減輕了勞動強度，改善了工作條件，可較為容易實現(xiàn)油庫收發(fā)作業(yè)可視化管理。
4.4使用電機具備良好的機械特性
實現(xiàn)電機的同步轉(zhuǎn)換和平滑調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了無級變速，同時，又保持住了異步電機的特有性能而沒有轉(zhuǎn)差損耗。在低頻狀態(tài)下變頻器可以確保電機啟動轉(zhuǎn)矩最高達到150%或始終在加高水平線上。而確保啟動電流只保持在較低的相對于額定電流1～12倍之間，避免了對電網(wǎng)造成沖擊。此外，還很好的實現(xiàn)了啟動損耗接近于直接啟動，避免了繞組過熱問題，這非常重要且對負載變化頻繁的加油系統(tǒng)具有極大意義。
5變頻器使用注意事項
5.1變頻器選型上要充分考慮加油工況
機坪加油工況對電機的運行有著最重要和直接的影響。油庫所在機場的航班密度、高峰加油需求、機型和航程等因素，決定著機坪加油工況始終處于一個動態(tài)變化過程中，特別是高峰期間可能會在很短時間出現(xiàn)加油量的巨大且反復(fù)波動。此時，油泵機組工況變化劇烈，加油管網(wǎng)沖擊反過來對電機會產(chǎn)生更大的負載變化，進而影響到變頻器所承受的電流。通過筆者對所在油庫運行經(jīng)驗來看，對于航班密度大，高峰期航班加油密集的機場，變頻器選配功率應(yīng)比所帶電機偏大30%甚至50%為宜。此舉可以有效防止發(fā)生電機電流變化觸發(fā)變頻器過電流保護，從而保證機坪加油不間斷，避免高峰期航班延誤。
5.2管路工藝對變頻器使用有重要影響
油庫泵機組與機坪管網(wǎng)的高差過大，會帶來啟動時出口壓力增加，進而引發(fā)變頻器啟動困難或者報故障。這時，要充分考慮到油泵出口工藝和出口靜壓差，最好對高落差的泵出口采取電動閥同步配合啟停泵，以確保變頻器處于良好工況中。
