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        喇嘛甸油田地面系統(tǒng)變頻裝置優(yōu)化可行性研究應(yīng)用分析

        2022-06-16 09:24:22于艷暉
        石油石化節(jié)能 2022年5期
        關(guān)鍵詞:污水泵作業(yè)區(qū)變頻

        于艷暉

        (大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠)

        1 現(xiàn)狀

        1.1 變頻裝置使用現(xiàn)狀

        通過對作業(yè)區(qū)調(diào)查,某廠站庫內(nèi)變頻裝置共1 549 臺。不在用268 臺(其中不同程度損壞63 臺,控制面板損壞8 臺,變頻器損壞22 臺,風(fēng)扇損壞21臺,繼電器損壞6 臺,無外殼或外殼損壞4 臺,控制線路不明情況損壞9 臺)。對損壞部位和損壞情況分析研究重新組裝,實(shí)現(xiàn)了新增可用變頻裝置26 臺。

        調(diào)查第一、第六作業(yè)區(qū)變頻裝置共計(jì)32 臺、調(diào)查第二作業(yè)區(qū)變頻裝置15 臺、第三、第五作業(yè)區(qū)大站變頻裝置共計(jì)38 臺、第四作業(yè)區(qū)變頻裝置38 臺、第七作業(yè)區(qū)在用變頻裝置共計(jì)1 426 臺,其中110~75 kW 82 臺、55 kW 以下1 344 臺、備用變頻器262 臺。

        1.2 變頻裝置的結(jié)構(gòu)以及原理

        變頻裝置一般由變頻柜、變頻器、隔離開關(guān)、交流接觸器、中間繼電器、電壓表、電流表、按鈕等組成。電路及其元器件工作原理,一次電路也稱為主電路,它是從電源到負(fù)載輸送電能時(shí)電流所經(jīng)過的電路,即一次電路是直接與交流電網(wǎng)電源連接的電路。由一次設(shè)備相互連接,構(gòu)成發(fā)電、輸電、配電或進(jìn)行其他控制的電氣回路,稱為一次回路或一次接線系統(tǒng)。一次電路一般工作于高電壓、大電流工作狀態(tài),一般一次電路的電源都是220 V 及以上交流電。其主要作用是對被控制對象的電源進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)對被控制對象的控制。二次電路及其元器件工作原理,二次電路又稱為控制電路或輔助電路,它是對主電路進(jìn)行控制、保護(hù)、監(jiān)視、測量的電路。二次電路中的各種設(shè)備稱為二次設(shè)備,它們包括各種控制開關(guān)(如按鈕等)、繼電器、接觸器的線圈和輔助觸點(diǎn)、信號燈、測量儀表、PLC等。由二次設(shè)備互相連接,構(gòu)成對一次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測、控制、調(diào)節(jié)和保護(hù)的電氣回路稱為二次回路或二次接線,包括控制系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、繼電保護(hù)和自動化系統(tǒng)等[1-3]。

        二次電路的電源是380 V、220 V、36 V 等交流電或直流電。380 V、220 V 電源可以在一次電源中取得,還可以用整流器和干電池取得直流電源。

        2 閑置變頻裝置利舊研究

        目前,某廠存在一批閑置變頻裝置。在這一些站庫中還有很多輸油泵、污水泵沒有加裝變頻裝置,其余一些變頻裝置由于油田產(chǎn)能變化,部分機(jī)泵調(diào)整,變頻裝置與電動機(jī)不匹配,出現(xiàn)“小馬拉大車”現(xiàn)象,導(dǎo)致變頻裝置高負(fù)荷運(yùn)行,增加電能損耗,減少了電氣設(shè)備的使用壽命。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際機(jī)泵大小調(diào)配現(xiàn)有完好變頻裝置,合理的加裝更換變頻以達(dá)到利舊、節(jié)能、增效的目的。

        2.1 變頻裝置利舊標(biāo)準(zhǔn)分析

        在實(shí)際的變頻裝置利舊應(yīng)用中,變頻裝置的選取和改造也至關(guān)重要,對于實(shí)際設(shè)備發(fā)揮節(jié)能作用有著重要影響。對此,為了更好的提高各類泵機(jī)組的節(jié)能效果,根據(jù)實(shí)際情況選用更好的利舊變頻器使用方案也很關(guān)鍵。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該充分考慮到泵站的場地環(huán)境,對于占地面積較小的輸油泵站,可以將組合串聯(lián)的變頻調(diào)速器加以應(yīng)用,強(qiáng)化輸油泵機(jī)組的節(jié)能效果。與此同時(shí),針對項(xiàng)目投資較少而且資金回收期短的項(xiàng)目,相關(guān)管理人員可以選擇串級調(diào)速設(shè)備,此類設(shè)備的資金投入相對較小,有利于實(shí)現(xiàn)能源的高效利用,對于電能的消耗也能得到很好地控制[4-5]。

        2.2 變頻裝置更換的過程

        通過對變頻裝置的統(tǒng)計(jì)。更換運(yùn)行狀況不好(風(fēng)扇損壞,控制面板損壞,超低頻運(yùn)行,徹底損壞)的變頻裝置根據(jù)實(shí)際情況,改修為換。同時(shí),針對變頻器的常見故障更換下來的開展修理工作,提高生產(chǎn)效率,降低維修成本[6-8]。

        以下為更換試驗(yàn)過程中形成的標(biāo)準(zhǔn)更換流程:配電室找到故障變頻器對應(yīng)配電抽屜柜,并斷電;現(xiàn)場變頻柜進(jìn)行驗(yàn)電,確定變頻柜已斷電;拆除變頻器6 根主線,拆除控制線,并包好絕緣,拆除變頻器四角固定螺絲;更換利舊變頻器,用螺絲固定好變頻器,恢復(fù)控制線,恢復(fù)主線;送電,根據(jù)電動機(jī)型號調(diào)整變頻參數(shù),點(diǎn)動確定電動機(jī)正反轉(zhuǎn);啟動變頻裝置,恢復(fù)正常工作。

        2.3 變頻裝置運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)分析

        目前,油田在用變頻裝置的工作方式兩種工作模式。第一種為開環(huán)控制,即人工控制變頻器的頻率,崗位員工根據(jù)現(xiàn)場工作要求實(shí)時(shí)對變頻器頻率調(diào)整,而相對變頻器所帶動的設(shè)備而言,是依靠變頻器本身的檢測模塊對設(shè)備進(jìn)行過電流、過電壓保護(hù),這種控制方式多用于抽油機(jī)、螺桿泵井等單機(jī)設(shè)備。第二種為閉環(huán)控制,配置、注聚、轉(zhuǎn)油放水、聯(lián)合站等多采用此種控制方式,這種控制方式主要特點(diǎn)是保護(hù)多,將設(shè)備的各種保護(hù)裝置的信號(即一次表)接入變頻器,如:壓力、溫度、流量、液位信號等,根據(jù)現(xiàn)場的工況控制要求,使變頻器始終在允許的范圍內(nèi)自動調(diào)節(jié)頻率,優(yōu)點(diǎn)是自動調(diào)節(jié)精準(zhǔn)高、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)是當(dāng)一次表出現(xiàn)故障后,會導(dǎo)致變頻器停機(jī),對維修人員的專業(yè)水平有一定要求,需要在此類控制裝置上再加裝一套手動運(yùn)行控制電路,以便于手/自動切換變頻器的運(yùn)行。根據(jù)變頻裝置在不同的應(yīng)用場所,控制要求,其內(nèi)部參數(shù)設(shè)置要有相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)[9-10]。電量對比試驗(yàn)根據(jù)閉環(huán)控制方式進(jìn)行加裝變頻裝置試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

        表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        2.4 變頻裝置利舊標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)

        目前,根據(jù)現(xiàn)場更換實(shí)際情況,做出以下總結(jié):

        1)變頻的控制面板以及控制電路板可以獨(dú)立更換,更換過程簡單,不需要整體更換設(shè)備。

        2)風(fēng)扇損壞導(dǎo)致變頻器過熱保護(hù)的故障是導(dǎo)致變頻裝置偷停,但是更換風(fēng)扇需要將變頻器全面拆解更換難度大,不如直接更換一臺閑置的變頻器,使生產(chǎn)可以連續(xù)運(yùn)行。

        3)在40 Hz 以上運(yùn)行的變頻器可以用更高一級的變頻器,例如7.5 kW 的變頻器可以用11 kW 的代替。

        4)還有一部分故障變頻器,可以開展修理工作,根據(jù)幾年來的變頻器故障分析,變頻器硬件故障多集中在冷卻風(fēng)扇、升壓電容、啟動保險(xiǎn)電阻等,這些元器件的采購價(jià)格非常便宜,還有一部分故障是由變頻器控制柜內(nèi)其它控制元器件損壞所引起的,因電氣元件常年處于運(yùn)行狀態(tài),它具有使用壽命,這種情況下引起的變頻器不啟動故障占有一定比例。

        3 閑置變頻裝置運(yùn)行優(yōu)化研究

        3.1 變頻裝置運(yùn)行參數(shù)分析及調(diào)節(jié)現(xiàn)場試驗(yàn)

        運(yùn)行參數(shù)包括啟動時(shí)間、制動時(shí)間、啟動頻率、啟動轉(zhuǎn)矩、變頻器載波頻率、變頻器運(yùn)行頻率。變頻器運(yùn)行頻率的設(shè)定,需要看現(xiàn)場時(shí)候有自動控制裝置。如果有,要進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)設(shè)置。而具體的設(shè)置則需要用試驗(yàn)進(jìn)行分析驗(yàn)證。

        啟動時(shí)間、制動時(shí)間、啟動頻率、啟動轉(zhuǎn)矩、變頻器載波頻率,要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況設(shè)定,以減少對電動機(jī)的損壞,有效降低電動機(jī)運(yùn)行的溫度,增加利舊變頻器的使用年限。

        3.1.1 試驗(yàn)?zāi)康募八悸?/p>

        為了讓利舊變頻器可以盡可能在最佳效果運(yùn)行,對安裝后變頻運(yùn)行區(qū)間優(yōu)化試驗(yàn)轉(zhuǎn)油站做了小型試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)取得了一定的成果。通過170 轉(zhuǎn)油放水站的了解,170 站內(nèi)溫度高,需要對變頻器散熱進(jìn)行特殊設(shè)計(jì),選用更大的變頻柜與風(fēng)扇,通過對控制回路的改造,與170 站的流量計(jì)進(jìn)行連接,使其可以進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。為了降低污水泵耗電量,全自動變頻運(yùn)行改為手動定頻運(yùn)行,但手動定頻運(yùn)行員工勞動強(qiáng)度增加,為了找到在平穩(wěn)生產(chǎn)期間污水泵合理的全自動運(yùn)行頻率區(qū)間,開展污水泵變頻運(yùn)行區(qū)間優(yōu)化試驗(yàn)。

        3.1.2 試驗(yàn)方案

        第一階段全自動原始頻率范圍運(yùn)行狀態(tài)階段,2021 年5 月17 日下午2 點(diǎn)至5 月18 日下午2 點(diǎn)。污水泵變頻全自動運(yùn)行,運(yùn)行頻率范圍5~50 Hz,頻率變化幅度45 Hz,站內(nèi)值班人員記錄全天污水總量、污水泵總耗電量。第二階段手動定頻運(yùn)行階段,2021 年5 月18 日下午2 點(diǎn)至5 月19 日下午2點(diǎn)。污水泵手動定頻運(yùn)行,根據(jù)來液變化情況,小隊(duì)自行設(shè)定手動運(yùn)行頻率。站內(nèi)值班人員記錄每一次調(diào)整頻率的時(shí)間、頻率、污水泵瞬時(shí)流量、全天污水總量、污水泵總耗電量。從第三階段開始到第四、五階段全自動運(yùn)行頻率變化幅度為25 Hz 階段,變頻器運(yùn)行平穩(wěn)。

        3.1.3 試驗(yàn)效果分析

        試驗(yàn)期間注意觀察上游3 000 m3污水沉降罐液位變化,下游污水站一次沉降罐和二次沉降罐液位變化,保證液位平穩(wěn)。PLC 變頻控制的參數(shù)設(shè)定如果整定比例的系數(shù)控制過小,就會使系統(tǒng)的輸出量變化相對平緩,調(diào)節(jié)時(shí)間會大大延長。如果比例的系數(shù)控制過大,就會使系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)輸出量達(dá)到峰值,從而超過調(diào)節(jié)能夠承受的上限,讓超調(diào)量提高,造成超過范圍的動態(tài)變化,甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)難以控制的情況。具體操作應(yīng)該由將比例系數(shù)調(diào)整到原比例系數(shù)的50%~80%,再由積分得出一個(gè)較大的時(shí)間數(shù)值設(shè)定,觀察響應(yīng)曲線的變化幅度。接著降低積分時(shí)間,提高積分效果,同時(shí)對比例系數(shù)做出調(diào)整。經(jīng)過不斷的調(diào)整后,得到一個(gè)與實(shí)際情況相符的響應(yīng)效果,從而判斷出比例參數(shù)及其積分參數(shù),并將其進(jìn)行記錄。設(shè)定積分參數(shù)時(shí),應(yīng)該按照公式:

        式中:KP為比例系數(shù);TI為積分時(shí)間;TD為微分時(shí)間。將TD設(shè)定為0,逐步提高微分時(shí)間,并根據(jù)微分時(shí)間的變化,對于比例系數(shù)KP與積分之間TI做出相應(yīng)的改變,直到得出一個(gè)較為符合實(shí)際情況的調(diào)節(jié)效果以及較為合理的PID 調(diào)節(jié)參數(shù)。為了能夠讓系統(tǒng)動態(tài)可以得到更好的相應(yīng),需要對比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)以及微分環(huán)節(jié)全部投入進(jìn)行測試使用。利用數(shù)次參數(shù)設(shè)定對比,可知當(dāng)設(shè)定P為10,I為0.15,D為0.01 時(shí),根據(jù)公式(1)可以得到一個(gè)相對來說較為合理的控制,穩(wěn)定后可以保持在每周期60 s 之內(nèi)。

        3.1.4 運(yùn)用實(shí)例

        6 座轉(zhuǎn)油站外輸油泵變頻參數(shù)及流量調(diào)查統(tǒng)計(jì)見表2,變頻高頻與低頻運(yùn)行切換跳換頻繁,超出流量計(jì)范圍問題,符合上述調(diào)參條件。變頻參數(shù)優(yōu)化情況見表3,優(yōu)化前后節(jié)電效果對比見表4。

        表2 6 座轉(zhuǎn)油站外輸油泵變頻參數(shù)及流量調(diào)查統(tǒng)計(jì)

        表3 變頻參數(shù)優(yōu)化情況

        表4 優(yōu)化前后節(jié)電效果對比

        節(jié)電效果對比出作業(yè)區(qū)的變頻裝置頻率運(yùn)行區(qū)間調(diào)整試驗(yàn)說明了合理的調(diào)節(jié)變頻裝置參數(shù)是可以達(dá)到節(jié)電目的。結(jié)合當(dāng)前各采油作業(yè)區(qū)的變頻器數(shù)量以及使用情況,如果進(jìn)行全面調(diào)節(jié)的話,節(jié)電量是非??捎^的。

        3.2 預(yù)期效果

        經(jīng)濟(jì)效益:利舊安裝小變頻器安裝費(fèi)0.3 萬元,新建55 kW 變頻器一拖一2.5 萬元、一拖二3 萬元,110 kW 一拖一4.5 萬元、一拖二5.0 萬元,對比之后每臺最多節(jié)省投資4.7 萬元。增加一臺90 kW 變頻裝置,瞬時(shí)300 m2/h 的外輸泵上可節(jié)電0.01 kWh/m3、年耗電量節(jié)省約20%。

        4 結(jié)論

        建立全廠數(shù)據(jù)庫調(diào)查表,能夠根據(jù)運(yùn)行年限及運(yùn)行狀態(tài),快速查詢到現(xiàn)場應(yīng)用情況,并能及時(shí)解決問題。通過試驗(yàn)證明形成PID 調(diào)節(jié)新理論,運(yùn)用該理論調(diào)節(jié)過的變頻裝置可單耗節(jié)電0.007~0.020 kWh/m3。降低了電動機(jī)的溫度,還提高了流量計(jì)的精確度。合理調(diào)配后可以減少新建變頻柜,利舊原有變頻及完好元器件,提高閑置設(shè)備使用率20%以上,保證設(shè)備完好率100%。小功率變頻裝置的更換試驗(yàn),在試驗(yàn)站后續(xù)運(yùn)行平穩(wěn)。同時(shí)形成了工藝標(biāo)準(zhǔn)和安裝指導(dǎo)書。更換利舊變頻裝置可以緩解變頻器維修的壓力。同時(shí)因?yàn)橹笇?dǎo)書的形成,節(jié)約更換時(shí)間。合理調(diào)配后可以減少新建變頻裝置,利舊變頻裝置每臺可降低成本88%,同時(shí)解決了變頻裝置損壞而影響第七作業(yè)區(qū)注入時(shí)率的問題。

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