技術頻道

      青海油田計轉站的轉水泵的自動控制

        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。

        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:

        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。

        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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