青海油田計(jì)轉(zhuǎn)站的轉(zhuǎn)水泵的自動(dòng)控制

　　引言：

　　油田從采集原油，到原油的存儲(chǔ)，有一個(gè)比較復(fù)雜的輸送過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，油水分離是比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。主要有兩個(gè)指標(biāo)：

　　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(zhǎng)輸管道輸送的油水混合物要保證一定的輸量。如采油二廠(chǎng)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?cè)土繎?yīng)保證在900 m3 以上，即含水不能超過(guò)35%。

　　要實(shí)現(xiàn)以上指標(biāo)，必須在油水分離時(shí)嚴(yán)格控制含水率，并將水快速排掉。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程，油田在總結(jié)以前工頻控制的基礎(chǔ)上，綜合考慮各方面的因素后，決定利用油水界面控制轉(zhuǎn)水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)油水界面穩(wěn)定的自動(dòng)控制。

　　一、 油水分離的控制過(guò)程

　　油水分離的控制過(guò)程可有以下簡(jiǎn)意圖表示之，如圖1。

　　從油田上采集的是油水混合物，通過(guò)各個(gè)混輸泵輸送到計(jì)轉(zhuǎn)站的千方罐中，此時(shí)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(gè)油水界面。通過(guò)在千方罐安裝視頻，將油水界面信號(hào)傳于控制室，操作人員即可根據(jù)此信號(hào)判斷罐中的液位，從而進(jìn)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(huì)超標(biāo)，因此應(yīng)提高轉(zhuǎn)速，降低油水界面，保證管輸量在規(guī)定范圍內(nèi)。

　　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(guò)程中油就發(fā)稠，甚至發(fā)生凝結(jié)事故。因此這時(shí)就必須降低轉(zhuǎn)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(jié)事故的發(fā)生率。

　　總之，對(duì)千方罐而言，罐內(nèi)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(biāo);罐內(nèi)油水界面低時(shí)，要減少抽水，使罐內(nèi)液位穩(wěn)定 ，油能從千方罐迅速流出，保證輸油量。

　　改造前采用兩臺(tái)轉(zhuǎn)水泵工頻運(yùn)行。當(dāng)油水分界面低時(shí)，一臺(tái)泵運(yùn)行;當(dāng)油水界面較高時(shí)，兩泵并聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)油水界面超低時(shí)，到達(dá)下限，兩泵都停止，以保持罐內(nèi)水位。這樣人工控制，頻繁啟動(dòng)，不但造成操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度增大，也造成轉(zhuǎn)水泵電能損耗增加，且油水界面控制不穩(wěn)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(dòng)，油水界面高時(shí)提高轉(zhuǎn)速，界面低時(shí)降低轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)油水界面的自動(dòng)控制，即減輕操作人員的工作強(qiáng)度，又降低了電能的損耗，起到節(jié)能降耗的作用。

　　二、變頻控制的過(guò)程

　　1、變頻控制的原理

　　根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式

　　n=60f*(1-s)/p

　　式中，n————————————電機(jī)轉(zhuǎn)速

　　f————————————-電源頻率

　　s————————————-電機(jī)的轉(zhuǎn)差率

　　p——————————————電機(jī)的極對(duì)數(shù)

　　當(dāng)電機(jī)的參數(shù)不變時(shí)，即s、p不變時(shí)，n就正比于f,平滑的改變電機(jī)的供電頻率，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)得到平滑的改變。

　　2、控制過(guò)程

　　轉(zhuǎn)水泵變頻控制的過(guò)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(hào)分別傳至控制室及變頻控制的PID調(diào)節(jié)器，由PID進(jìn)行比例、積分、微分處理后送給變頻器，由該信號(hào)調(diào)節(jié)變頻器的頻率，即可調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)頻率對(duì)液位的跟蹤。

　　根據(jù)千方罐的罐高，確定罐內(nèi)油水界面的上下限，并確定液位的期望值，再根據(jù)油井產(chǎn)液量的多少，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行調(diào)整，在PID上設(shè)置上下限報(bào)警繼電器，由它來(lái)觸發(fā)第二臺(tái)泵的啟停。上限時(shí)啟動(dòng)第二臺(tái)泵，快速抽水，下限時(shí)停第二臺(tái)泵，由液位信號(hào)調(diào)節(jié)變頻器的頻率，進(jìn)而調(diào)整轉(zhuǎn)水泵的轉(zhuǎn)速，既可對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

　　系統(tǒng)控制的主電路如圖3示。

　　根據(jù)工況，設(shè)定變頻器的最高頻率為50Hz，最低頻率為25Hz，變頻器為開(kāi)環(huán)運(yùn)行，有PID 調(diào)整為閉環(huán)工作。

　　3、調(diào)試過(guò)程

　　該千方罐總高度為12.8米，出油口在10.0米，設(shè)定油水界面的最上限為9.80米，最低下限為9.50米。來(lái)液量多時(shí)，設(shè)定PID期望值(即目標(biāo)值)為9.75米，上下限分別為9.80、9.70米。來(lái)液量少時(shí)，設(shè)定PID目標(biāo)值為9.60米，上下限分別為9.65、9.55米，在上下限外時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)第二臺(tái)泵，而在上下限之間時(shí)，有液位信號(hào)調(diào)節(jié)變頻器的頻率，即可跟蹤控制。

　　PID的參數(shù)調(diào)整時(shí)，由于系統(tǒng)為液位高時(shí)轉(zhuǎn)速快，液位低時(shí)轉(zhuǎn)速慢，因此應(yīng)設(shè)為正反饋，根據(jù)實(shí)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(shí)間后，操作人員認(rèn)為，頻率反應(yīng)較慢，不能跟蹤液位的快速變化，于是提出要求，要求在設(shè)定值波動(dòng)范圍內(nèi)，液位比設(shè)定值高出5cm時(shí)，頻率應(yīng)升至50Hz，低于5cm時(shí)，頻率應(yīng)降至最低值25Hz, 又對(duì)PID進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，經(jīng)試驗(yàn)，P為2000，I為100，dt為30，并減少反應(yīng)時(shí)間t 為1，則反應(yīng)快速，可滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

　　如當(dāng)目標(biāo)值設(shè)為9.55米時(shí)，液位在9.54——-9.56之間時(shí)，頻率維持在38.5Hz，當(dāng)液位在9.57米時(shí)，頻率波動(dòng)，升至45Hz，在 9.58——-9.59米時(shí)，頻率升至50Hz，上限設(shè)為9.60米，回差設(shè)為0.02米，則在9.62米時(shí)啟動(dòng)第二臺(tái)泵;當(dāng)實(shí)際液位降至9.53米時(shí)，降 為31Hz，在9.52—9.51米時(shí)，降為25Hz，下限設(shè)為9.50米，在9.48米時(shí)停第二臺(tái)泵。

　　觀察一月的運(yùn)行情況，油田及操作人員比較滿(mǎn)意，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到了自動(dòng)控制的目的。調(diào)試完畢。

　　4、現(xiàn)時(shí)的運(yùn)行情況

　　該系統(tǒng)經(jīng)以上改造后，基本處于以下運(yùn)行狀態(tài):

　　(1)供液正常時(shí), 即千方罐來(lái)液正常時(shí)，只要操作人員設(shè)定好PID的上下限，并設(shè)定PID的目標(biāo)值為上下限中間值，則系統(tǒng)處于較理想的工況，由PID 調(diào)節(jié)變頻器的頻率，并有上下限值啟停第二臺(tái)泵，工作較穩(wěn)定。

　　(2)當(dāng)供液較多或較少時(shí)，即千方罐來(lái)液較多或較少時(shí)，操作人員根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整液位的上下限及PID 的目標(biāo)值，則系統(tǒng)又在新的平衡狀態(tài)下建立新的穩(wěn)定狀態(tài)。

　　(3)根據(jù)這幾個(gè)月的觀察，操作人員每天根據(jù)液量的變化，有時(shí)調(diào)整一兩次，有時(shí)調(diào)整三四次，有時(shí)不調(diào)整，系統(tǒng)都能處于較好的控制狀態(tài)，達(dá)到了預(yù)期的效果。

　　三、變頻改造后的效果：

　　(1)能穩(wěn)定控制油水界面，使外輸混合液含水率穩(wěn)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(diào)整變頻器的頻率，使轉(zhuǎn)水泵的轉(zhuǎn)速自動(dòng)跟蹤液位的變化。當(dāng)液位較高時(shí)，自動(dòng)升至50Hz 運(yùn)行，若再高，超出設(shè)定的上限時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)備用泵。使系統(tǒng)原油水界面相對(duì)穩(wěn)定，控制起來(lái)十分方便。

　　(2)減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。原來(lái)工人觀察液位的變化后，再去啟停泵，有時(shí)一天十幾次，甚至二十幾次，不但費(fèi)事、麻煩，勞動(dòng)強(qiáng)度高，而且交流接觸器頻繁動(dòng)作，也增加了器件的磨損，增加了不安全因素。

　　(3)節(jié)能，降低了電能的損耗。原來(lái)兩泵用于工頻，耗電大。經(jīng)變頻改造后，1﹟泵處于變頻狀態(tài)，在液位較低時(shí)運(yùn)行在最低頻率(25Hz)，相當(dāng)于空載，大大節(jié)約了電能，根據(jù)2006年7月8月的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示改造后比改造前大約節(jié)電30%，18.5KW*2臺(tái)*24小時(shí)/天*365天 /年*30%= 97KW， 效果是十分明顯的。

　　四、 系統(tǒng)需要改進(jìn)的地方

　　(1)該系統(tǒng)為兩臺(tái)18.5KW 的水泵并聯(lián)運(yùn)行。若能改為一臺(tái)(如37KW或45KW 的)單獨(dú)運(yùn)行，則效果會(huì)更好，兩臺(tái)18.5KW 的排量并不是一臺(tái)18.5W 的泵的排量的雙倍。單泵運(yùn)行，不但減少了泵的損耗，控制起來(lái)也較方便。

　　(2)若用PLC 控制，使兩泵處于循環(huán)控制狀態(tài)。1﹟泵至50Hz后切換入工頻運(yùn)行，變頻器再帶2﹟泵，使2﹟泵處于變頻狀態(tài);同理當(dāng)2﹟泵升至50Hz 時(shí)，又切入工頻運(yùn)行，再有變頻器帶1﹟泵運(yùn)行，這樣循環(huán)控制，效果也會(huì)更好。