青海油田计转站转水泵的自动控制———TheQinghaioilfieldcounts

［摘要］：本文论述了青海油田采油二厂计转站污水转水泵采用变频器实现自动控制的过程，指出了实现自动控制的意义。［关键词］：转水泵 输油量 变频控制　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.
Keywords: Rotate a water pump Oil transportation amounts Frequency conversion under the control of引言：
　　油田从采集原油，到原油的存储，有一个比较复杂的输送过程。在这个过程中，油水分离是比较关键的环节。主要有两个指标：
　　1、 要保证一定的管道输液量；
　　2、 输送的原油含水率控制在30%~35%。
即：一方面，长输管道输送的油水混合物要保证一定的输量。如采油二厂目前要保证58 m3/ h,即每天要有1400 m3/日输量；另一方面，所输油水混合物的含水率不能太高，如果保证1400 m3的管输量的前提下，纯原油量应保证在900 m3 以上，即含水不能超过35%。
　　要实现以上指标，必须在油水分离时严格控制含水率，并将水快速排掉。为实现这个过程，油田在总结以前工频控制的基础上，综合考虑各方面的因素后，决定利用油水界面控制转水泵转速，实现油水界面稳定的自动控制。
　　一、 油水分离的控制过程
　　油水分离的控制过程可有以下简意图表示之，如图1。 　　从油田上采集的是油水混合物，通过各个混输泵输送到计转站的千方罐中，此时由于油的密度低，浮于上面，水的密度高，沉于下面，形成了一个油水界面。通过在千方罐安装视频，将油水界面信号传于控制室，操作人员即可根据此信号判断罐中的液位，从而进行有效的控制。
　　1、 油水界面高，则水层多，油层少，输送油水混合物的含水率就高，管输量就会超标，因此应提高转速，降低油水界面，保证管输量在规定范围内。
　　2、油水界面低，则油层多，水层少。这一方面，纯油流入500 m3管的量就多；另一方面，输送油水混合物含水率太低，在输送过程中油就发稠，甚至发生凝结事故。因此这时就必须降低转速，使水层保持一定的量，提高输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，保证一定的含水量，降低原油凝结事故的发生率。
　　总之，对千方罐而言，罐内油水界面高，要快速抽水，使水量降低，保证管输油的含水率不能超标；罐内油水界面低时，要减少抽水，使罐内液位稳定 ，油能从千方罐迅速流出，保证输油量。
改造前采用两台转水泵工频运行。当油水分界面低时，一台泵运行；当油水界面较高时，两泵并联运行。当油水界面超低时，到达下限，两泵都停止，以保持罐内水位。这样人工控制，频繁启动，不但造成操作人员劳动强度增大，也造成转水泵电能损耗增加，且油水界面控制不稳定，增加油水处理的难度。改造后使变频器的频率跟踪油水界面的移动，油水界面高时提高转速，界面低时降低转速，实现油水界面的自动控制，即减轻操作人员的工作强度，又降低了电能的损耗，起到节能降耗的作用。
二、变频控制的过程

　　1、变频控制的原理
根据电机的转速公式
n=60f*(1－s)/p
式中，n－－－－－－－－－－－－电机转速
f－－－－－－－－－－－－-电源频率
s－－－－－－－－－－－－-电机的转差率
p－－－－－－－－－－－－－－电机的极对数
当电机的参数不变时，即s、p不变时，n就正比于f,平滑的改变电机的供电频率，则电机的转速就会得到平滑的改变。
　　2、控制过程
转水泵变频控制的过程如图2示：
　　如图2所示，将油水界面的液位传感器所变换的4-20mA电流信号分别传至控制室及变频控制的PID调节器，由PID进行比例、积分、微分处理后送给变频器，由该信号调节变频器的频率，即可调节水泵的转速，实现频率对液位的跟踪。
　　根据千方罐的罐高，确定罐内油水界面的上下限，并确定液位的期望值，再根据油井产液量的多少，适当的进行调整，在PID上设置上下限报警继电器，由它来触发第二台泵的启停。上限时启动第二台泵，快速抽水，下限时停第二台泵，由液位信号调节变频器的频率，进而调整转水泵的转速，既可对系统实现自动调节。
系统控制的主电路如图3示。 根据工况，设定变频器的最高频率为50Hz，最低频率为25Hz，变频器为开环运行，有PID 调整为闭环工作。
　　3、调试过程
该千方罐总高度为12.8米，出油口在10.0米，设定油水界面的最上限为9.80米，最低下限为9.50米。来液量多时，设定PID期望值（即目标值）为9.75米，上下限分别为9.80、9.70米。来液量少时，设定PID目标值为9.60米，上下限分别为9.65、9.55米，在上下限外时自动启动第二台泵，而在上下限之间时，有液位信号调节变频器的频率，即可跟踪控制。
　　PID的参数调整时，由于系统为液位高时转速快，液位低时转速慢，因此应设为正反馈，根据实际情况及油田操作人员的观察，首先让PID自整定，整定出的PID值分别为P：3276，I：50，dt: 193.
观察一段时间后，操作人员认为，频率反应较慢，不能跟踪液位的快速变化，于是提出要求，要求在设定值波动范围内，液位比设定值高出5cm时，频率应升至50Hz，低于5cm时，频率应降至最低值25Hz, 又对PID进行适当调整，经试验，P为2000，I为100，dt为30，并减少反应时间t为1，则反应快速，可满足系统要求。
　　如当目标值设为9.55米时，液位在9.54－－-9.56之间时，频率维持在38.5Hz，当液位在9.57米时，频率波动，升至45Hz，在9.58－－-9.59米时，频率升至50Hz，上限设为9.60米，回差设为0.02米，则在9.62米时启动第二台泵；当实际液位降至9.53米时，降 为31Hz，在9.52-9.51米时，降为25Hz，下限设为9.50米，在9.48米时停第二台泵。
观察一月的运行情况，油田及操作人员比较满意，系统稳定运行，达到了自动控制的目的。调试完毕。
　　4、现时的运行情况
该系统经以上改造后，基本处于以下运行状态:
(1)供液正常时, 即千方罐来液正常时，只要操作人员设定好PID的上下限，并设定PID的目标值为上下限中间值，则系统处于较理想的工况，由PID 调节变频器的频率，并有上下限值启停第二台泵，工作较稳定。
　　（2）当供液较多或较少时，即千方罐来液较多或较少时，操作人员根据实际情况调整液位的上下限及PID 的目标值，则系统又在新的平衡状态下建立新的稳定状态。
　　（3）根据这几个月的观察，操作人员每天根据液量的变化，有时调整一两次，有时调整三四次，有时不调整，系统都能处于较好的控制状态，达到了预期的效果。
三、变频改造后的效果：

　　（1）能稳定控制油水界面，使外输混合液含水率稳定。即能保证管道输量，又能保证含水率。
变频改造后，由油水界面调整变频器的频率，使转水泵的转速自动跟踪液位的变化。当液位较高时，自动升至50Hz 运行，若再高，超出设定的上限时自动启动备用泵。使系统原油水界面相对稳定，控制起来十分方便。
　　（2）减轻了工人的劳动强度。原来工人观察液位的变化后，再去启停泵，有时一天十几次，甚至二十几次，不但费事、麻烦，劳动强度高，而且交流接触器频繁动作，也增加了器件的磨损，增加了不安全因素。
　　（3）节能，降低了电能的损耗。原来两泵用于工频，耗电大。经变频改造后，1﹟泵处于变频状态，在液位较低时运行在最低频率（25Hz），相当于空载，大大节约了电能，根据2006年7月8月的统计结果显示改造后比改造前大约节电30%，18.5KW*2台*24小时/天*365天/年*30%= 97KW， 效果是十分明显的。
四、 系统需要改进的地方

　　（1）该系统为两台18.5KW 的水泵并联运行。若能改为一台（如37KW或45KW 的）单独运行，则效果会更好，两台18.5KW 的排量并不是一台18.5W 的泵的排量的双倍。单泵运行，不但减少了泵的损耗，控制起来也较方便。
　　（2）若用PLC 控制，使两泵处于循环控制状态。1﹟泵至50Hz后切换入工频运行，变频器再带2﹟泵，使2﹟泵处于变频状态；同理当2﹟泵升至50Hz 时，又切入工频运行，再有变频器带1﹟泵运行，这样循环控制，效果也会更好。

参考文献：(略)
作者简介：
周加胜 毕业于山东工业大学，在山东新风光电子科技发展有限公司从事产品研发工作