一種變頻輸油泵機組能效測試方法及裝置的製作方法
2023-05-28 09:39:11 2
專利名稱：一種變頻輸油泵機組能效測試方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及變頻工況下輸油泵機組，特別涉及一種基於過泵溫差的變頻輸油泵機組能效計算方法，並根據目前輸油站SCADA系統採集運行數據情況，結合現有節能測試儀器，制定快捷簡便的變頻輸油泵機組能效測試方案。
背景技術：
據估計，工業用泵所消耗的電能中，有209^50%可通過變頻技術節省。我國應用變頻調速技術的時間只有十幾年，隨著國外變頻器的發展，我國的變頻調速技術發展也十分迅速。近年來，變頻調速方式在各行業所產生的經濟效益優於以往的其它調速方式，成為電
力拖動行業的中樞。變頻輸油泵機組能效計算是衡量變頻效果的一個重要內容，它反映變頻工況下輸油泵機組的運行狀況與能量利用情況。其中，變頻工況下電動機輸出功率的計算是整個變頻輸油泵機組能效計算的關鍵。現行變頻輸油泵機組能效計算中，通常根據泵類為平方轉矩類負載的特點和電動機內部電磁變換等效原理進行推導，確定相關的能效計算模型。目前，國家石油行業制訂並頒布了 SY/T 6834-2011《變頻調速拖動裝置節能測試方法與評價指標》等一系列相關的標準規範。Meir等人根據離心泵為平方轉矩類負載，採用比例定律法計算變頻工況下輸油泵軸功率及其效率，評價泵機組的節能潛力，計算時認為不同轉速下的輸油泵機械效率相等，計算結果不夠準確。Metwally等人(2002)在電動機等效電路基礎上，利用已知電動機基本參數，基於電動機輸出扭矩計算電動機輸出功率，進而計算電動機效率和輸油泵效率，但對於變頻輸油泵機組的現場測試卻鮮有具體的描述。Daut等人(2009)通過分析額定功率為5馬力的異步電動機效率計算，從電動機T型等值電路分析有功功率傳遞的情況，通過計算電動機損失效率來計算電動機效率，但計算中所需的參數，如電動機定子、轉子每相電阻，漏磁電抗和勵磁電抗等，難以在現場測試中獲取或依靠經驗估算，使得計算受限。張燕賓等人(2002)從電動機定子和轉子間電磁感應轉換出發，對複雜運行過程進行動靜變換和磁電變換，從等效電路原理推導變頻後電動機扭矩計算公式。為了得到轉子旋轉時的異步電動機等效電路，以便於簡化分析和計算過程，用一個等效的靜止轉子來取代原來的旋轉轉子，使等效轉子內電勢和電流頻率與定子的相同。根據等效原則將原旋轉的相應參數進行折算，稱為頻率折算。經過頻率折算後的等效靜轉子的參數再經過繞組折算將轉子側各物理量折算到定子側，便可得出所需的等效電路。但計算所需的參數，如電動機定子和轉子每相電阻、每相漏磁電抗等，難以在現場測試中獲取，給現場實際測試帶來不便。邱阿瑞等人(2002)根據電動機T型等值電路分析有功功率傳遞情況，通過計算電動機功率損耗來計算電動機效率，但計算所需的參數，如電動機定子和轉子每相電阻、每相漏磁電抗和勵磁電抗等，也難以在現場測試中獲取或依靠經驗估算，使得計算受限。國內外變頻輸油泵機組能效計算大體上可分為3類，一是採用比例定律法進行計算，二是根據電動機等效電路原理直接推導，三是計算出電動機功率損失效率再計算電動機效率。採用以上方法，理論上都可計算出變頻工況下電動機效率，但在實際測試中所需電動機參數獲取困難，或者計算方法結果偏差較大，在實際應用中難以實現並推廣。若直接使用扭矩儀測試電動機輸出扭矩，無論是介入式扭矩儀還是非介入式扭矩儀都必須在機組停運時安裝扭矩傳感設備，介入式扭矩儀還必須安裝在電動機軸和泵軸之間作為軸系一部分才能使用，更給生產現場帶來不便。因此，有必要研究新的變頻輸油泵機組能效計算方法，在計算準確的基礎上滿足現場測試的實際需求。
發明內容
本發明的目的是針對各方法在現場測試中存在的問題與限制，結合實際操作，推導並建立了基於過泵溫差的變頻輸油泵機組能效計算方法，根據變頻輸油泵機組能效計算方法，確定了變頻輸油泵機組能效測試需要測取的參數、其執行標準和相關儀器，制定了具有可操作性的變頻輸油泵機組能效測試方案。、為實現上述目的，本發明提供了一種變頻輸油泵機組能效測試方法，包括計算變頻輸油泵效率；計算變頻電動機輸入功率；計算變頻工況下輸油泵輸出功率；通過變頻工況下輸油泵輸出功率來計算變頻工況下輸油泵輸入功率；通過變頻工況下輸油泵輸入功率來計算變頻工況下電動機輸出功率；通過變頻電動機輸入功率和變頻工況下電動機輸出功率來計算變頻電動機效率；通過變頻輸油泵效率和變頻電動機效率對變頻輸油泵機組能效進行測試。可選的，本發明一實施例中，所述通過變頻輸油泵效率和變頻電動機效率對變頻輸油泵機組能效進行測試包括根據變頻輸油泵機組能效模型確定現場測試需要的現場參數；根據現場參數來選取儀器，並對選取的儀器進行測試；根據變頻輸油泵機組能效模型通過電動機和輸油泵進行測試獲取電動機測試參數、輸油泵測試參數、變頻工況下電動機測試參數和變頻工況下輸油泵測試參數；利用測試後的儀器進行現場測試獲取現場參數；根據電動機測試參數、輸油泵測試參數、現場參數、變頻工況下電動機測試參數和變頻工況下輸油泵測試參數，採用變頻輸油泵機組能效模型進行計算以實現變頻輸油泵機組能效測試。可選的，本發明一實施例中，所述計算變頻工況下電動機輸出功率包括將傳遞過程中的功率損耗忽略不計，根據能量守恆原理，則傳動機構輸出軸的功率與輸入軸的功率相等，即變頻工況下電動機輸出功率與變頻工況下輸油泵輸入功率相等，通過所述變頻工況下輸油泵輸入功率計算步驟得出的變頻工況下輸油泵輸入功率來獲取變頻工況下電動機輸出功率。可選的，本發明一實施例中，所述計算變頻電動機輸入功率包括測出計算變頻電動機輸入功率所需參數，根據參數計算變頻電動機輸入功率。
可選的，本發明一實施例中，所述測出計算變頻電動機輸入功率所需參數的方法為電能表法。可選的，本發明一實施例中，所述測出計算變頻電動機輸入功率所需參數的方法為電流電壓功率因數法。可選的，本發明一實施例中，所述儀器包括電力分析儀、浮子式密度計、粘度計、手持式雷射轉速計、可攜式流量計和玻璃水銀溫度計。可選的，本發明一實施例中，所述輸油泵測試參數包括進口原油溫度、出口原油溫度、進口原油壓力、出口原油壓力、原油密度和實測原油體積流量。可選的，本發明一實施例中，所述變頻工況下輸油泵測試參數包括進出口溫度、壓力和體積流量。
為實現上述目的，本發明還提供了一種變頻輸油泵機組能效測試裝置，包括變頻輸油泵效率單元，用於計算變頻輸油泵效率；變頻電動機輸入功率單元，用於計算變頻電動機輸入功率；變頻工況下輸油泵輸出功率單元，用於計算變頻工況下輸油泵輸出功率；變頻工況下輸油泵輸入功率單元，用於通過變頻工況下輸油泵輸出功率來計算變頻工況下輸油泵輸入功率；變頻工況下電動機輸出功率單元，用於通過變頻工況下輸油泵輸入功率來計算變頻工況下電動機輸出功率；變頻電動機效率單元，用於通過變頻電動機輸入功率和變頻工況下電動機輸出功率來計算變頻電動機效率；變頻輸油泵機組能效測試單元，通過變頻輸油泵效率和變頻電動機效率對變頻輸油泵機組能效進行測試。可選的，本發明一實施例中，所述變頻輸油泵機組能效測試單元包括現場參數確定模塊，用於根據變頻輸油泵機組能效模型確定現場測試需要的現場參數；儀器測試模塊，用於根據現場參數來選取儀器，並對選取的儀器進行測試；測試參數獲取模塊，用於根據變頻輸油泵機組能效模型通過電動機和輸油泵進行測試獲取電動機測試參數、輸油泵測試參數、變頻工況下電動機測試參數和變頻工況下輸油泵測試參數；現場參數獲取模塊，用於利用測試後的儀器進行現場測試獲取現場參數；能效獲取模塊，用於根據電動機測試參數、輸油泵測試參數、現場參數、變頻工況下電動機測試參數和變頻工況下輸油泵測試參數，採用變頻輸油泵機組能效模型進行計算以實現變頻輸油泵機組能效測試。可選的，本發明一實施例中，所述變頻工況下電動機輸出功率單元計算變頻工況下電動機輸出功率包括將傳遞過程中的功率損耗忽略不計，根據能量守恆原理，則傳動機構輸出軸的功率與輸入軸的功率相等，即變頻工況下電動機輸出功率與變頻工況下輸油泵輸入功率相等，通過所述變頻工況下輸油泵輸入功率計算步驟得出的變頻工況下輸油泵輸入功率來獲取變頻工況下電動機輸出功率。
可選的，本發明一實施例中，所述變頻電動機輸入功率單元計算變頻電動機輸入功率包括測出計算變頻電動機輸入功率所需參數，根據參數計算變頻電動機輸入功率。可選的，本發明一實施例中，所述儀器測試模塊選取儀器包括電力分析儀、浮子式密度計、粘度計、手持式雷射轉速計、可攜式流量計和玻璃水銀溫度計。可選的，本發明一實施例中， 所述測試參數獲取模塊獲取的輸油泵測試參數包括進口原油溫度、出口原油溫度、進口原油壓力、出口原油壓力、原油密度和實測原油體積流量。上述技術方案具有如下有益效果通過比較變頻工況下國內外在該領域的能效計算方法，針對各方法在現場測試中存在的問題與限制，結合實際操作，推導並建立了基於過泵溫差的變頻輸油泵機組能效計算法，該方法所需計算參數少、計算過程簡單，給現場實際測試帶來方便。根據變頻輸油泵機組能效計算方法，確定了變頻輸油泵機組能效測試需要測取的參數、其執行標準和相關儀器，制定了具有可操作性的變頻輸油泵機組能效測試方案。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖I是本發明提出的一種變頻輸油泵機組能效測試方法流程圖之一；圖2是本發明提出的一種變頻輸油泵機組能效測試方法流程圖之二 ；圖3是本發明提出的一種變頻輸油泵機組能效測試裝置框圖；圖4是本發明提出的一種變頻輸油泵機組能效測試裝置中變頻輸油泵機組能效測試單元組成框圖；圖5是在本發明提出的一種變頻輸油泵機組能效測試方法中輸油泵測溫點和測壓點布置示意圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。在進行變頻輸油泵機組能效計算時，直接測試與計算電動機輸出功率比較困難。在電動機轉速減小較多的情況下，用比例定律法計算輸油泵軸功率，結果較相同條件下實際值小。根據電動機扭矩計算公式或電動機損失功率公式計算電動機輸出功率，在目前的現場條件下，所需電動機參數如定子、轉子每相漏磁電抗等難以測取，則無法計算。通過比較變頻工況下國內外在該領域的能效計算方法，針對各方法在現場測試中存在的問題與限制，結合實際操作，推導並建立了基於過泵溫差的變頻輸油泵機組能效計算法，並根據變頻輸油泵機組能效計算方法，確定了變頻輸油泵機組能效測試需要測取的參數、其執行標準和相關儀器，制定了具有可操作性的變頻輸油泵機組能效測試方案。本申請包括變頻輸油泵機組效率計算模型以及變頻輸油泵機組能效測試方案兩部分內容。如圖I所示，為本發明提出的一種變頻輸油泵機組能效測試方法流程圖之一。該方法包括步驟101 :計算變頻輸油泵效率；步驟102 :計算變頻電動機輸入功率； 步驟103 :計算變頻工況下輸油泵輸出功率；步驟104 :通過變頻工況下輸油泵輸出功率來計算變頻工況下輸油泵輸入功率；步驟105 :通過變頻工況下輸油泵輸入功率來計算變頻工況下電動機輸出功率；步驟106 :通過變頻電動機輸入功率和變頻工況下電動機輸出功率來計算變頻電動機效率；步驟107 :通過變頻輸油泵效率和變頻電動機效率對變頻輸油泵機組能效進行測試。如圖2所示，為本發明提出的一種變頻輸油泵機組能效測試方法流程圖之二。進一步地，將步驟105更改為步驟105』 將傳遞過程中的功率損耗忽略不計，根據能量守恆原理，則傳動機構輸出軸的功率與輸入軸的功率相等，即變頻工況下電動機輸出功率與變頻工況下輸油泵輸入功率相等，通過所述變頻工況下輸油泵輸入功率計算步驟得出的變頻工況下輸油泵輸入功率來獲取變頻工況下電動機輸出功率。那麼，本發明提出的一種變頻輸油泵機組能效計算方法根據變頻輸油泵機組能量轉換關係，按照黑箱原理劃分各個研究單元，分別研究其能量平衡。結合現場實際測試與計算，提出過泵溫差法，該方法以熱力學能量守恆和轉換原理為基礎，分析原油流經輸油泵時所產生的溫升，根據焓與過程無關的特性，將原油流經輸油泵進出口處焓差等效為定熵焓差與定壓焓差之和，推導變頻工況下輸油泵效率的計算。其中，步驟101 :按照式(I)計算出變頻輸油泵效率。
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PP式中nVF，pe變頻工況下輸油泵效率，% ;H為輸油泵揚程，m； At為輸油泵進出口溫差，K ; AP為輸油泵進出口壓差，MPa5Sp為所輸原油等熵壓縮溫升係數，° C/Mpa;匕為輸油泵所輸送原油的平均比定壓熱容，J/(kg K)。步驟102 :測出計算變頻電動機輸入功率所需參數，對於本領域的技術人員來講，測量方法有很多種，優選電能表法和電流電壓功率因數法。①電能表法測出電能錶轉動所需時間t、電能表變流比Ki和電能表變壓比Ku，根據式(2)計算
獲得變頻電動機輸入功率。
10Pvv mi 二 -X 3600 X Ki X Kli(2)
』 Kxt式中K為電能表實際常數，r/(kW*h) ;t為電能錶轉10轉所需時間，s ^為電能表變流比；KU為電能表變壓比。根據參數計算變頻電動機輸入功率。②電流電壓功率因數法測出變頻工況下電動機輸入端線電壓UVF，lmi、變頻工況下電動機輸入端線電流Ivf,lmi和變頻工況下電動機在運行頻率下的功率因數以上參數可通過輸油站電力SCADA
系統獲得，或者用電力分析儀測得。根據式(3)計算獲得變頻電動機輸入功率。
權利要求
1.一種變頻輸油泵機組能效測試方法，其特徵在於，包括 計算變頻輸油泵效率； 計算變頻電動機輸入功率； 計算變頻工況下輸油泵輸出功率； 通過變頻工況下輸油泵輸出功率來計算變頻工況下輸油泵輸入功率； 通過變頻工況下輸油泵輸入功率來計算變頻工況下電動機輸出功率； 通過變頻電動機輸入功率和變頻工況下電動機輸出功率來計算變頻電動機效率； 通過變頻輸油泵效率和變頻電動機效率對變頻輸油泵機組能效進行測試。
2.根據權利要求I所述的變頻輸油泵機組能效測試方法，其特徵在於，所述通過變頻輸油泵效率和變頻電動機效率對變頻輸油泵機組能效進行測試包括 根據變頻輸油泵機組能效模型確定現場測試需要的現場參數； 根據現場參數來選取儀器，並對選取的儀器進行測試； 根據變頻輸油泵機組能效模型通過電動機和輸油泵進行測試獲取電動機測試參數、輸油泵測試參數、變頻工況下電動機測試參數和變頻工況下輸油泵測試參數； 利用測試後的儀器進行現場測試獲取現場參數； 根據電動機測試參數、輸油泵測試參數、現場參數、變頻工況下電動機測試參數和變頻工況下輸油泵測試參數，採用變頻輸油泵機組能效模型進行計算以實現變頻輸油泵機組能效測試。
3.根據權利要求I所述的變頻輸油泵機組能效測試方法，其特徵在於，所述計算變頻工況下電動機輸出功率包括 將傳遞過程中的功率損耗忽略不計，根據能量守恆原理，則傳動機構輸出軸的功率與輸入軸的功率相等，即變頻工況下電動機輸出功率與變頻工況下輸油泵輸入功率相等，通過所述變頻工況下輸油泵輸入功率計算步驟得出的變頻工況下輸油泵輸入功率來獲取變頻工況下電動機輸出功率。
4.根據權利要求Γ3任一權利要求所述的變頻輸油泵機組能效測試方法，其特徵在於，所述計算變頻電動機輸入功率包括 測出計算變頻電動機輸入功率所需參數，根據參數計算變頻電動機輸入功率。
5.根據權利要4所述的變頻輸油泵機組能效測試方法，其特徵在於，所述測出計算變頻電動機輸入功率所需參數的方法為電能表法。
6.根據權利要求4所述的變頻輸油泵機組能效測試方法，其特徵在於，所述測出計算變頻電動機輸入功率所需參數的方法為電流電壓功率因數法。
7.根據權利要求2所述的變頻輸油泵機組能效測試方法，其特徵在於，所述儀器包括電力分析儀、浮子式密度計、粘度計、手持式雷射轉速計、可攜式流量計和玻璃水銀溫度計。
8.根據權利要求2所述的變頻輸油泵機組能效測試方法，其特徵在於，所述輸油泵測試參數包括進口原油溫度、出口原油溫度、進口原油壓力、出口原油壓力、原油密度和實測原油體積流量。
9.根據權利要求2所述的變頻輸油泵機組能效測試方法，其特徵在於，所述變頻工況下輸油泵測試參數包括進出口溫度、壓力和體積流量。
10.一種變頻輸油泵機組能效測試裝置，其特徵在於，包括變頻輸油泵效率單元，用於計算變頻輸油泵效率； 變頻電動機輸入功率單元，用於計算變頻電動機輸入功率； 變頻工況下輸油泵輸出功率單元，用於計算變頻工況下輸油泵輸出功率； 變頻工況下輸油泵輸入功率單元，用於通過變頻工況下輸油泵輸出功率來計算變頻工況下輸油泵輸入功率； 變頻工況下電動機輸出功率單元，用於通過變頻工況下輸油泵輸入功率來計算變頻工況下電動機輸出功率； 變頻電動機效率單元，用於通過變頻電動機輸入功率和變頻工況下電動機輸出功率來計算變頻電動機效率； 變頻輸油泵機組能效測試單元，通過變頻輸油泵效率和變頻電動機效率對變頻輸油泵機組能效進行測試。
11.根據權利要求10所述的變頻輸油泵機組能效測試裝置，其特徵在於，所述變頻輸油泵機組能效測試單元包括 現場參數確定模塊，用於根據變頻輸油泵機組能效模型確定現場測試需要的現場參數； 儀器測試模塊，用於根據現場參數來選取儀器，並對選取的儀器進行測試； 測試參數獲取模塊，用於根據變頻輸油泵機組能效模型通過電動機和輸油泵進行測試獲取電動機測試參數、輸油泵測試參數、變頻工況下電動機測試參數和變頻工況下輸油泵測試參數； 現場參數獲取模塊，用於利用測試後的儀器進行現場測試獲取現場參數； 能效獲取模塊，用於根據電動機測試參數、輸油泵測試參數、現場參數、變頻工況下電動機測試參數和變頻工況下輸油泵測試參數，採用變頻輸油泵機組能效模型進行計算以實現變頻輸油泵機組能效測試。
12.根據權利要求10所述的變頻輸油泵機組能效測試裝置，其特徵在於，所述變頻工況下電動機輸出功率單元計算變頻工況下電動機輸出功率包括 將傳遞過程中的功率損耗忽略不計，根據能量守恆原理，則傳動機構輸出軸的功率與輸入軸的功率相等，即變頻工況下電動機輸出功率與變頻工況下輸油泵輸入功率相等，通過所述變頻工況下輸油泵輸入功率計算步驟得出的變頻工況下輸油泵輸入功率來獲取變頻工況下電動機輸出功率。
13.根據權利要求1(Γ12任一權利要求所述的變頻輸油泵機組能效測試裝置，其特徵在於，所述變頻電動機輸入功率單元計算變頻電動機輸入功率包括 測出計算變頻電動機輸入功率所需參數，根據參數計算變頻電動機輸入功率。
14.根據權利要求11所述的變頻輸油泵機組能效測試裝置，其特徵在於，所述儀器測試模塊選取儀器包括電力分析儀、浮子式密度計、粘度計、手持式雷射轉速計、可攜式流量計和玻璃水銀溫度計。
15.根據權利要求11所述的變頻輸油泵機組能效測試裝置，其特徵在於，所述測試參數獲取模塊獲取的輸油泵測試參數包括進口原油溫度、出口原油溫度、進口原油壓力、出口原油壓力、原油密度和實測原油體積流量。
16.根據權利要求11所述的變頻輸油泵機組能效測試裝置，其特徵在於，所述測試參數獲取模塊獲取的變頻 工況下輸油泵測試參數包括進出口溫度、壓力和體積流量。
全文摘要
本發明涉及一種變頻輸油泵機組能效測試方法及裝置，計算變頻輸油泵效率；計算變頻電動機輸入功率；計算變頻工況下輸油泵輸出功率；計算變頻工況下輸油泵輸入功率；計算變頻工況下電動機輸出功率；計算變頻電動機效率；通過變頻輸油泵效率和變頻電動機效率獲取變頻輸油泵機組能效模型來計算變頻輸油泵機組能效。其中，所述計算變頻工況下電動機輸出功率包括將傳遞過程中的功率損耗忽略不計，根據能量守恆原理，則傳動機構輸出軸的功率與輸入軸的功率相等，即變頻工況下電動機輸出功率與變頻工況下輸油泵輸入功率相等，通過所述變頻工況下輸油泵輸入功率計算步驟得出的變頻工況下輸油泵輸入功率來獲取變頻工況下電動機輸出功率。
文檔編號G01R31/34GK102735382SQ20121023690
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月9日 優先權日2012年7月9日
發明者侯磊, 劉文婷, 張澤 申請人:中國石油大學(北京)