油田聯(lián)合注水站控制系統(tǒng)的研究

王春生

(山西永濟電機高級技工學校，山西 永濟 044502)

石油與我們的生活息息相關(guān)，在國民經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用，但是，油田投入開采后，隨著開采時間的增長，地下油層本身能量將不斷被消耗，因此，充分發(fā)揮己建和再建生產(chǎn)能力，進一步控制并降低注水損耗，己成為今后油田生產(chǎn)建設(shè)中的重要任務(wù)。因而，深入開展油田注水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，優(yōu)化注水工藝，對油田注水系統(tǒng)及注水機組進行節(jié)能改造和優(yōu)化控制來達到節(jié)約電能、降低注水機組單耗、降低生產(chǎn)成本，便成為油田節(jié)能工作重要的研究課題。

目前，變頻調(diào)速是最理想的高效調(diào)速節(jié)電節(jié)能技術(shù)。變頻調(diào)速裝置用于交流異步電機的調(diào)速，其性能勝過其他任何一種交流調(diào)速方式(如降壓調(diào)速，變極調(diào)速，滑差調(diào)速，交流串級調(diào)速等)，且結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，調(diào)速范圍廣，節(jié)能顯著，已成為交流電機調(diào)速的最新潮流。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計思路和要求

在注水站控制室設(shè)計一套可編程控制系統(tǒng)通過變頻器組成恒壓注水系統(tǒng)，實現(xiàn)對注水壓力的自動控制。為了實現(xiàn)上述目標，變頻器根據(jù)壓力信號達到調(diào)節(jié)管網(wǎng)的目的，并且在PLC 控制下由變頻器依次起動注水泵。在控制系統(tǒng)中注水站壓力是系統(tǒng)所需檢測和控制的最主要參數(shù)，在恒壓注水系統(tǒng)中，在泵的出口管線上安裝一只高可靠性壓力變送器，將實測的壓力信號與系統(tǒng)的配注壓力相比，并將其差值送往過程參數(shù)調(diào)節(jié)器即PID 控制器進行比例和積分運算，最后將輸出的結(jié)果送給PLC。PLC 根據(jù)接收的PID 整定信號，在滿足系統(tǒng)壓力的情況下，系統(tǒng)及時自動調(diào)整高壓變頻器的輸出頻率，從而控制變頻泵的轉(zhuǎn)速，泵轉(zhuǎn)速的變化可引起相應(yīng)的排量變化，通過頻率的變化以達到期望的排量值。

系統(tǒng)的工藝要求為:1)供水壓力要求恒定，波動一定要小，尤其在換泵時。2)三臺泵根據(jù)壓力的設(shè)定，采用先開先停的原則。3)為了防止一臺泵長時間運行，需設(shè)定運行時間。當時間到時，自動切換下一臺泵，以防止泵長時間不用而銹死。4)要有完善的保護和報警功能，并有手動功能。缺相保護缺相時，三相異步電動機中三相電流很不均勻，一相電流為零，另外兩相偏大，嚴重時會燒壞電動機繞組，應(yīng)防止此類情況發(fā)生。應(yīng)在電動機中性點和中線之間接一中間繼電器，當正常時KA 中無電流流過。當電路中缺相時，KA 通電，利用其常開觸點閉合進行聲光報警，常閉觸點斷開切斷控制電路，進行缺相保護。

2 系統(tǒng)的工作原理

在油田注水系統(tǒng)中，注水壓力(指注水井口壓力)的高低，是決定油田合理開發(fā)和地面管線及設(shè)備的重要參數(shù)。由于變頻器具有恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)速特性。為此，采用變頻調(diào)速技術(shù)設(shè)計以注水壓力為被控參數(shù)的恒壓注水自動控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制。從而達到油田注恒壓注水的目的。

3 選用型號及性能參數(shù)

在本文中，選用的是西門子的MICROMASTER430 系列變頻調(diào)速器。變頻器提供缺水和斷帶檢測功能無需傳感器可以通過設(shè)定轉(zhuǎn)矩變化范圍來對轉(zhuǎn)矩進行監(jiān)控，可以識別水泵是否因缺水空轉(zhuǎn)和傳動部分的機械故障，從而對水泵進行全面保護。該變頻調(diào)速器是用于控制三相交流電動機速度的變頻器系列。本系列有多種型號，額定功率范圍從7.5kW 到250kW，可供用戶選用。

油田注水系統(tǒng)中使用的壓力變送器應(yīng)適用于石油工業(yè)過程壓力和液位的測量和控制，而且可以滿足最大測量值是20MPa 的要求。麥克傳感器有限公司生產(chǎn)的MPM482 型壓力變送器就可滿足此要求，采用24V 直流供電，可在20－40V DC 范圍內(nèi)可靠工作，輸出信號為標準的4－20mA，其測量范圍最大可達40MPa。更重要的一點是，該型號的產(chǎn)品具有良好的防爆性能，這對安全生產(chǎn)有了一定保障。

注水泵組電機一般為大型異步電動機其自身的能量損耗可以用電動機效率特性曲線來描述，本文所采用的注水機組的電機型號為YK2250－2/1180 型，由廠家提供的效率特性曲線量化參數(shù)如表3－3 所示。當電機進行變頻運行時其效率特性還與電源頻率有關(guān)，其特性更為復雜。

表3－3 YK2250－2/1180 型電機軸功率與效率關(guān)系

4 控制系統(tǒng)的PLC 設(shè)計

4.1 PLC 設(shè)備選型

本文選用的PLC 為西門子S7－200，所選CPU 型號為CPU226，可用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內(nèi)部集成特殊功能，可完成適應(yīng)于一些復雜的中小型控制系統(tǒng)。

本系統(tǒng)所選變頻器型號為西門子的MICROMASTER 430系列6SE6430－2UD27－5CA07.5KW 的變頻器，利用變頻器的兩個可編程繼電器輸出端口RO1 和RO2 進行功能設(shè)定。

5 結(jié)束語

油田注水是石油開采中的一個重要環(huán)節(jié)，提高油田注水系統(tǒng)的效率、降低生產(chǎn)能耗具有重大的實際價值。本課題將傳統(tǒng)的開環(huán)注水控制方式改造成閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)器采用新型積分分離PID 控制算法，實現(xiàn)了對注水壓力的精確控制。采用了先進的變頻調(diào)速方式，大大降低了電機能耗。另外所有水泵電機起動由變頻器來控制，避免了起動大電流給水泵電機帶來的危害，延長了電機使用壽命。所以說基于S7－200的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)可靠性高，經(jīng)濟性強。

［1］周文革，喻衛(wèi)革等.實現(xiàn)注水系統(tǒng)節(jié)能的新方法.西南石油學院學報，2004(11).

［2］李華德.交流調(diào)速控制系統(tǒng).北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［3］賈德勝.PLC 應(yīng)用開發(fā)實用子程序.北京:人民郵電出版社，2006.