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青海油田計轉站轉水泵的自動控制

2014-04-11 17:04:27

  青海油田計轉站轉水泵的自動控制

  山東新鳳光電子科技發展有限公司       周加勝
  青海油田采油二廠計轉站       顧志凱

  The Qinghai oil field counts the autocontrol rotating a station rotating a water pump
  摘要:本文論述了青海油田采油二廠計轉站污水轉水泵采用變頻器實現自動控制的過程,指出了實現自動控制的意義。
  Abstract: The Qinghai oil field the main body of a book has been discussed has counted the process rotating a station rotating a water pump adopt a frequency transformer to realize autocontrol , has pointed out the significance realizing autocontrol.
  關鍵詞:  轉水泵     輸油量     變頻控制
  Keywords:   Rotate a water pump    Oil transportation amounts    Frequency conversion under the control of
  引言:油田從采集原油,到原油的存儲,有一個比較復雜的輸送過程。在這個過程中,油水分離是比較關鍵的環節。主要有兩個指標:
  1要保證一定的管道輸液量;
  2輸送的原油含水率控制在30%~35%。
  即:一方面,長輸管道輸送的油水混合物要保證一定的輸量。如采油二廠目前要保證58 m3/ h,即每天要有1400 m3/日輸量;另一方面,所輸油水混合物的含水率不能太高,如果保證1400 m3的管輸量的前提下,純原油量應保證在900 m3 以上,即含水不能超過35%。
  要實現以上指標,必須在油水分離時嚴格控制含水率,并將水快速排掉。為實現這個過程,油田在總結以前工頻控制的基礎上,綜合考慮各方面的因素后,決定利用油水界面控制轉水泵轉速,實現油水界面穩定的自動控制。
  一、油水分離的控制過程
  油水分離的控制過程可有以下簡意圖表示之,如圖1。

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  從油田上采集的是油水混合物,通過各個混輸泵輸送到計轉站的千方罐中,此時由于油的密度低,浮于上面,水的密度高,沉于下面,形成了一個油水界面。通過在千方罐安裝視頻,將油水界面信號傳于控制室,操作人員即可根據此信號判斷罐中的液位,從而進行有效的控制。
  1、油水界面高,則水層多,油層少,輸送油水混合物的含水率就高,管輸量就會超標,因此應提高轉速,降低油水界面,保證管輸量在規定范圍內。
  2、油水界面低,則油層多,水層少。這一方面,純油流入500 m3管的量就多;另一方面,輸送油水混合物含水率太低,在輸送過程中油就發稠,甚至發生凝結事故。因此這時就必須降低轉速,使水層保持一定的量,提高輸送油水混合物的含水率,既使油水界面保持到一定位置,又可使原油迅速流出,保證一定的含水量,降低原油凝結事故的發生率。
  總之,對千方罐而言,罐內油水界面高,要快速抽水,使水量降低,保證管輸油的含水率不能超標;罐內油水界面低時,要減少抽水,使罐內液位穩定 ,油能從千方罐迅速流出,保證輸油量。
  改造前采用兩臺轉水泵工頻運行。當油水分界面低時,一臺泵運行;當油水界面較高時,兩泵并聯運行。當油水界面超低時,到達下限,兩泵都停止,以保持罐內水位。這樣人工控制,頻繁啟動,不但造成操作人員勞動強度增大,也造成轉水泵電能損耗增加,且油水界面控制不穩定,增加油水處理的難度。改造后使變頻器的頻率跟蹤油水界面的移動,油水界面高時提高轉速,界面低時降低轉速,實現油水界面的自動控制,即減輕操作人員的工作強度,又降低了電能的損耗,起到節能降耗的作用。
  二、變頻控制的過程
  1、變頻控制的原理
  根據電機的轉速公式
  n=60f*(1-s)/p
  式中,n------------電機轉速
  f-------------電源頻率
  s-------------電機的轉差率
  p--------------電機的極對數
  當電機的參數不變時,即s、p不變時,n就正比于f,平滑的改變電機的供電頻率,則電機的轉速就會得到平滑的改變。
  2、控制過程
  轉水泵變頻控制的過程如圖2示:

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  如圖2所示,將油水界面的液位傳感器所變換的4-20mA電流信號分別傳至控制室及變頻控制的PID調節器,由PID進行比例、積分、微分處理后送給變頻器,由該信號調節變頻器的頻率,即可調節水泵的轉速,實現頻率對液位的跟蹤。
  根據千方罐的罐高,確定罐內油水界面的上下限,并確定液位的期望值,再根據油井產液量的多少,適當的進行調整,在PID上設置上下限報警繼電器,由它來觸發第二臺泵的啟停。上限時啟動第二臺泵,快速抽水,下限時停第二臺泵,由液位信號調節變頻器的頻率,進而調整轉水泵的轉速,既可對系統實現自動調節。
  系統控制的主電路如圖3示。

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  根據工況,設定變頻器的最高頻率為50Hz,最低頻率為25Hz,變頻器為開環運行,有PID  調整為閉環工作。
  3、調試過程
  該千方罐總高度為12.8米,出油口在10.0米,設定油水界面的最上限為9.80米,最低下限為9.50米。來液量多時,設定PID期望值(即目標值)為9.75米,上下限分別為9.80、9.70米。來液量少時,設定PID目標值為9.60米,上下限分別為9.65、9.55米,在上下限外時自動啟動第二臺泵,而在上下限之間時,有液位信號調節變頻器的頻率,即可跟蹤控制。
  PID的參數調整時,由于系統為液位高時轉速快,液位低時轉速慢,因此應設為正反饋,根據實際情況及油田操作人員的觀察,首先讓PID自整定,整定出的PID值分別為P:3276,I:50,dt: 193.
  觀察一段時間后,操作人員認為,頻率反應較慢,不能跟蹤液位的快速變化,于是提出要求,要求在設定值波動范圍內,液位比設定值高出5cm時,頻率應升至50Hz,低于5cm時,頻率應降至最低值25Hz, 又對PID進行適當調整,經試驗,P為2000,I為100,dt為30,并減少反應時間t為1,則反應快速,可滿足系統要求。
  如當目標值設為9.55米時,液位在9.54---9.56之間時,頻率維持在38.5Hz,當液位在9.57米時,頻率波動,升至45Hz,在9.58---9.59米時,頻率升至50Hz,上限設為9.60米,回差設為0.02米,則在9.62米時啟動第二臺泵;當實際液位降至9.53米時,降 為31Hz,在9.52-9.51米時,降為25Hz,下限設為9.50米,在9.48米時停第二臺泵。
  觀察一月的運行情況,油田及操作人員比較滿意,系統穩定運行,達到了自動控制的目的。調試完畢。
  4、現時的運行情況
  該系統經以上改造后,基本處于以下運行狀態:
  (1)供液正常時, 即千方罐來液正常時,只要操作人員設定好PID的上下限,并設定PID的目標值為上下限中間值,則系統處于較理想的工況,由PID  調節變頻器的頻率,并有上下限值啟停第二臺泵,工作較穩定。
  (2)當供液較多或較少時,即千方罐來液較多或較少時,操作人員根據實際情況調整液位的上下限及PID 的目標值,則系統又在新的平衡狀態下建立新的穩定狀態。
  (3)根據這幾個月的觀察,操作人員每天根據液量的變化,有時調整一兩次,有時調整三四次,有時不調整,系統都能處于較好的控制狀態,達到了預期的效果。
  三、變頻改造后的效果:
  (1)能穩定控制油水界面,使外輸混合液含水率穩定。即能保證管道輸量,又能保證含水率。
  變頻改造后,由油水界面調整變頻器的頻率,使轉水泵的轉速自動跟蹤液位的變化。當液位較高時,自動升至50Hz 運行,若再高,超出設定的上限時自動啟動備用泵。使系統原油水界面相對穩定,控制起來十分方便。
  (2)減輕了工人的勞動強度。原來工人觀察液位的變化后,再去啟停泵,有時一天十幾次,甚至二十幾次,不但費事、麻煩,勞動強度高,而且交流接觸器頻繁動作,也增加了器件的磨損,增加了不安全因素。
  (3)節能,降低了電能的損耗。原來兩泵用于工頻,耗電大。經變頻改造后,1﹟泵處于變頻狀態,在液位較低時運行在最低頻率(25Hz),相當于空載,大大節約了電能,根據2006年7月8月的統計結果顯示改造后比改造前大約節電30%,18.5KW*2臺*24小時/天*365天/年*30%= 97KW, 效果是十分明顯的。
  四、 系統需要改進的地方
  (1)該系統為兩臺18.5KW 的水泵并聯運行。若能改為一臺(如37KW或45KW 的)單獨運行,則效果會更好,兩臺18.5KW 的排量并不是一臺18.5W 的泵的排量的雙倍。單泵運行,不但減少了泵的損耗,控制起來也較方便。
  (2)若用PLC  控制,使兩泵處于循環控制狀態。1﹟泵至50Hz后切換入工頻運行,變頻器再帶2﹟泵,使2﹟泵處于變頻狀態;同理當2﹟泵升至50Hz 時,又切入工頻運行,再有變頻器帶1﹟泵運行,這樣循環控制,效果也會更好。

 

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