王春生

(山西永濟(jì)電機(jī)高級(jí)技工學(xué)校，山西 永濟(jì) 044502)

石油與我們的生活息息相關(guān)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用，但是，油田投入開(kāi)采后，隨著開(kāi)采時(shí)間的增長(zhǎng)，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(jìn)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(kāi)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(duì)油田注水系統(tǒng)及注水機(jī)組進(jìn)行節(jié)能改造和優(yōu)化控制來(lái)達(dá)到節(jié)約電能、降低注水機(jī)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(jī)的調(diào)速，其性能勝過(guò)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(jí)調(diào)速等)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，調(diào)速范圍廣，節(jié)能顯著，已成為交流電機(jī)調(diào)速的最新潮流。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和要求

在注水站控制室設(shè)計(jì)一套可編程控制系統(tǒng)通過(guò)變頻器組成恒壓注水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)注水壓力的自動(dòng)控制。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，變頻器根據(jù)壓力信號(hào)達(dá)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(dòng)注水泵。在控制系統(tǒng)中注水站壓力是系統(tǒng)所需檢測(cè)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(shí)測(cè)的壓力信號(hào)與系統(tǒng)的配注壓力相比，并將其差值送往過(guò)程參數(shù)調(diào)節(jié)器即PID 控制器進(jìn)行比例和積分運(yùn)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(hào)，在滿(mǎn)足系統(tǒng)壓力的情況下，系統(tǒng)及時(shí)自動(dòng)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(guò)頻率的變化以達(dá)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(dòng)一定要小，尤其在換泵時(shí)。2)三臺(tái)泵根據(jù)壓力的設(shè)定，采用先開(kāi)先停的原則。3)為了防止一臺(tái)泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，需設(shè)定運(yùn)行時(shí)間。當(dāng)時(shí)間到時(shí)，自動(dòng)切換下一臺(tái)泵，以防止泵長(zhǎng)時(shí)間不用而銹死。4)要有完善的保護(hù)和報(bào)警功能，并有手動(dòng)功能。缺相保護(hù)缺相時(shí)，三相異步電動(dòng)機(jī)中三相電流很不均勻，一相電流為零，另外兩相偏大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒壞電動(dòng)機(jī)繞組，應(yīng)防止此類(lèi)情況發(fā)生。應(yīng)在電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)和中線之間接一中間繼電器，當(dāng)正常時(shí)KA 中無(wú)電流流過(guò)。當(dāng)電路中缺相時(shí)，KA 通電，利用其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合進(jìn)行聲光報(bào)警，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)切斷控制電路，進(jìn)行缺相保護(hù)。

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(kāi)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(jì)以注水壓力為被控參數(shù)的恒壓注水自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制。從而達(dá)到油田注恒壓注水的目的。

3 選用型號(hào)及性能參數(shù)

在本文中，選用的是西門(mén)子的MICROMASTER430 系列變頻調(diào)速器。變頻器提供缺水和斷帶檢測(cè)功能無(wú)需傳感器可以通過(guò)設(shè)定轉(zhuǎn)矩變化范圍來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行監(jiān)控，可以識(shí)別水泵是否因缺水空轉(zhuǎn)和傳動(dòng)部分的機(jī)械故障，從而對(duì)水泵進(jìn)行全面保護(hù)。該變頻調(diào)速器是用于控制三相交流電動(dòng)機(jī)速度的變頻器系列。本系列有多種型號(hào)，額定功率范圍從7.5kW 到250kW，可供用戶(hù)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(guò)程壓力和液位的測(cè)量和控制，而且可以滿(mǎn)足最大測(cè)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(mǎn)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(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的4－20mA，其測(cè)量范圍最大可達(dá)40MPa。更重要的一點(diǎn)是，該型號(hào)的產(chǎn)品具有良好的防爆性能，這對(duì)安全生產(chǎn)有了一定保障。

注水泵組電機(jī)一般為大型異步電動(dòng)機(jī)其自身的能量損耗可以用電動(dòng)機(jī)效率特性曲線來(lái)描述，本文所采用的注水機(jī)組的電機(jī)型號(hào)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(dāng)電機(jī)進(jìn)行變頻運(yùn)行時(shí)其效率特性還與電源頻率有關(guān)，其特性更為復(fù)雜。

表3－3 YK2250－2/1180 型電機(jī)軸功率與效率關(guān)系

4 控制系統(tǒng)的PLC 設(shè)計(jì)

4.1 PLC 設(shè)備選型

本文選用的PLC 為西門(mén)子S7－200，所選CPU 型號(hào)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(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能，可完成適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。

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

5 結(jié)束語(yǔ)

油田注水是石油開(kāi)采中的一個(gè)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(shí)際價(jià)值。本課題將傳統(tǒng)的開(kāi)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(shí)現(xiàn)了對(duì)注水壓力的精確控制。采用了先進(jìn)的變頻調(diào)速方式，大大降低了電機(jī)能耗。另外所有水泵電機(jī)起動(dòng)由變頻器來(lái)控制，避免了起動(dòng)大電流給水泵電機(jī)帶來(lái)的危害，延長(zhǎng)了電機(jī)使用壽命。所以說(shuō)基于S7－200的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)可靠性高，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。

［1］周文革，喻衛(wèi)革等.實(shí)現(xiàn)注水系統(tǒng)節(jié)能的新方法.西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，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(kāi)發(fā)實(shí)用子程序.北京:人民郵電出版社，2006.