劉偉

（吐哈油田鄯善采油管理區(qū)，新疆鄯善 838202）

0 引言

溫米聯(lián)合站9#注水泵為315 kW 電機(jī)，采用軟啟動器啟動，電機(jī)開啟后軟啟動器內(nèi)部經(jīng)過可控硅模塊限制啟動電流，運(yùn)行后旁路接觸器接通工頻運(yùn)行。采用軟啟動器啟動有以下缺點(diǎn)：

（1）啟動電流大，對電網(wǎng)有沖擊，經(jīng)常出現(xiàn)過流保護(hù)跳閘不能正常啟動。

（2）軟啟動器原理是調(diào)節(jié)電壓來調(diào)整啟動轉(zhuǎn)矩，啟動后轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行，不能調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，由于管網(wǎng)出口壓力波動較大，當(dāng)管網(wǎng)阻塞或用水量下降時(shí)，該運(yùn)行方式一直在工頻運(yùn)行，容易引起管網(wǎng)壓力上升，對管網(wǎng)和泵有損壞作用。

（3）工頻運(yùn)行時(shí)耗能多，不節(jié)能。

9#注水泵軟啟動控制電路如圖1 所示。

圖1 軟啟動器控制

1 改造方案

基于上述原因采油廠決定對軟啟動柜進(jìn)行控制系統(tǒng)改造，采用變頻調(diào)速控制，結(jié)合中控霍尼韋爾EPKS 系統(tǒng)，利用泵出口壓力來設(shè)定所需要的值，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

1.1 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)原理

變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元、微處理單元等組成。變頻調(diào)速技術(shù)就是依據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：

式中 n——轉(zhuǎn)速，r/min

f——輸入頻率，Hz

s——電機(jī)轉(zhuǎn)差率

p——電機(jī)磁極對數(shù)

從公式（1）中，利用改變電機(jī)工作電源頻率實(shí)現(xiàn)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變泵的出力。變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方式包括V/F、矢量控制（VC）、直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）等。V/F 控制主要運(yùn)用在低成本、使用性能要求較低的場合；而矢量控制的引入，則開始了變頻調(diào)速系統(tǒng)在性能高場合的運(yùn)用。

1.2 Honewell EPKS 系統(tǒng)

利用中控霍尼韋爾EPKS 系統(tǒng)，該系統(tǒng)是Honewell 最新一代的過程自動化系統(tǒng)，他將人員與過程控制、經(jīng)營和資產(chǎn)管理融合在一起。EPKS 為用戶提供了遠(yuǎn)高于集散控制系統(tǒng)的能力，為決策者提供所需信息。其特點(diǎn)有：全局?jǐn)?shù)據(jù)庫，一次輸入控制處理器與監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器所需信息；基于Web 結(jié)構(gòu)的人機(jī)界面；全局在線文檔；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫；先進(jìn)的系統(tǒng)框架；良好的開放性；嚴(yán)格的安全性及高性能先進(jìn)的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案。

根據(jù)工況管網(wǎng)所需供水壓力，預(yù)先設(shè)定好壓力SP，通過遠(yuǎn)程采集出口壓力P，送入EPKS 系統(tǒng)組態(tài)程序進(jìn)行比較、PID 運(yùn)算處理，最后將結(jié)果通過4～20 mA 信號給定到變頻器，變頻器再轉(zhuǎn)換成輸出頻率到電機(jī)上，從而調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)出口壓力大于中控設(shè)定值時(shí)，中控PID 輸出信號電流減小，從而變頻器輸出頻率減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速也相應(yīng)降低；反之，出口壓力小于中控設(shè)定值時(shí)，相對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速則升高以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力相對穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

2 改造內(nèi)容

改造后控制系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 改造后控制系統(tǒng)

2.1 變頻器選型

停用軟啟動柜，在配電室安裝新變頻柜1 臺，變頻器選用艾默生無感矢量變頻器EV2000 315 kW 型，因?yàn)樽⑺檬谴筠D(zhuǎn)動慣量負(fù)載，泵啟動時(shí)容易引起V/F 控制方式的變頻器出現(xiàn)過流保護(hù)跳閘的情況，所以選用具有高啟動轉(zhuǎn)矩的無速度傳感器矢量變頻器，同時(shí)在變頻柜輸出側(cè)安裝交流電抗器，消除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減小因高次諧波引起的電磁干擾，以減小電機(jī)運(yùn)行噪聲和溫升，提高電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。

布置一條信號線（2×2.5 mm2）由中控AI 模塊出線端子至變頻器4～20 mA 接線端子，增加安全柵1 只，注意要使用帶屏蔽層的信號線，屏蔽層有效接地，因?yàn)樽冾l器在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量諧波注入電網(wǎng)，同時(shí)對信號傳輸干擾特別大，采用安全柵和信號屏蔽層接地能有效消除變頻器高次諧波對信號傳輸?shù)母蓴_。

2.2 中控EPKS 系統(tǒng)組態(tài)

在中控室EPKS 系統(tǒng)里繪制泵和9#變頻器流程圖，利用HMIWeb Display Builder 功能建立主圖、順序子圖與畫面的關(guān)聯(lián)，定義變量和各參數(shù)、編輯腳本等組態(tài)。再在中控室霍尼韋爾EPKS 系統(tǒng)對出口壓力和變頻器進(jìn)行組態(tài)，對AI、DACA、PIDA和AO 等功能塊分別組態(tài)，以實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，恒壓注水。利用出口壓力和PID 邏輯對控制點(diǎn)PIC6302A 組態(tài)程序如圖3 所示。

圖3 PIC6302A 控制點(diǎn)程序

通過泵出口壓力變化信號傳送給中控室，再由中控EPKS系統(tǒng)PID 程序發(fā)出指令給變頻器，進(jìn)行調(diào)整輸出頻率，從而調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，壓力降低時(shí)轉(zhuǎn)速升高，壓力增高時(shí)轉(zhuǎn)速降低，使管網(wǎng)壓力保持恒定，實(shí)現(xiàn)恒壓注水。

2.3 增加泵房異地啟停功能

由于原有軟啟動柜已停用，新變頻柜安裝在配電室，在泵房增加控制柜1 面，操作距離相對較遠(yuǎn)，為方便泵房啟、停泵，現(xiàn)在從新變頻柜布線至泵房控制柜，安裝異地啟停按鈕、報(bào)警指示燈。方便操作人員現(xiàn)場啟、停泵，巡檢。

2.4 將原有儀表保護(hù)接入泵房新增控制柜

新增控制柜面板上安裝數(shù)顯控制儀5 只（該數(shù)顯控制儀能接收4～20 mA 信號和Pt100 熱電阻信號），數(shù)顯儀分度號選擇與4～20 mA 信號和Pt100 相對應(yīng)的數(shù)值，設(shè)置數(shù)顯儀溫度和壓力上下限報(bào)警和量程，在柱塞泵出口新增量程60 MPa 壓力變送器1塊，潤滑油缸安裝溫度變送器Pt100 熱電阻1 塊。將原有出口壓力高報(bào)警停機(jī)、進(jìn)口壓力低報(bào)警停機(jī)、泵油溫高報(bào)警、電機(jī)繞組溫度高報(bào)警和前端軸承溫度高報(bào)警等停機(jī)功能接入新變頻柜內(nèi)，恢復(fù)原有儀表保護(hù)功能，滿足注水泵工況需求。

每只數(shù)顯控制儀報(bào)警輸出點(diǎn)分兩路，一路接中間繼電器ZJ1、ZJ2、ZJ3、ZJ4、ZJ5 線圈回路，另一路接報(bào)警指示燈；再將ZJ1、ZJ2、ZJ3、ZJ4、ZJ5 中間繼電器的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)起來接入原變頻控制停止回路SA 按鈕中，其中ZJ1 對應(yīng)泵進(jìn)口壓力低報(bào)中間繼電器、ZJ2 對應(yīng)泵出口壓力高報(bào)中間繼電器、ZJ3 對應(yīng)泵油溫高報(bào)中間繼電器、ZJ4 對應(yīng)電機(jī)繞組溫度高報(bào)中間繼電器、ZJ5 對應(yīng)電機(jī)前端軸承溫度高報(bào)中間繼電器，報(bào)警聯(lián)鎖停機(jī)原理如圖4 所示。

圖4 電氣原理報(bào)警停止控制

SA 為停止按鈕，KM 為變頻控制主回路交流接觸器，2 只數(shù)顯控制儀分度號選擇4～20 mA 和Pt100 熱電阻信號，設(shè)置好壓力變送器和溫度變送器對應(yīng)量程，數(shù)顯控制儀內(nèi)設(shè)置報(bào)警停機(jī)值：出口壓力30 MPa，泵潤滑油油溫75 ℃，保護(hù)系統(tǒng)通過現(xiàn)場泵出口采集4～20 mA 信號送入數(shù)顯控制儀與內(nèi)部設(shè)定的報(bào)警參數(shù)比較，當(dāng)壓力和油溫異常達(dá)到上限值時(shí)AL 閉合，使中間繼電器帶電和報(bào)警燈閃爍報(bào)警，同時(shí)中間繼電器ZJ 常閉觸點(diǎn)斷開，主回路KM 失電停機(jī)，從而對注水泵和管網(wǎng)起到保護(hù)作用。

2.5 調(diào)試

（1）檢查變頻控制柜和泵房控制柜一次、二次線路有無接地短路，對電氣線路進(jìn)行絕緣測試。

（2）對變頻柜和泵房控制柜上電合閘，查看變頻器、數(shù)顯儀顯示情況。具體步驟如下：①對變頻器運(yùn)行指令設(shè)置外部端子控制，最大頻率為50 Hz，最低頻率15 Hz，加速時(shí)間20 s，減速停機(jī)時(shí)間20 s；②數(shù)顯儀檢查溫度和壓力顯示有無報(bào)警，進(jìn)口壓力低限報(bào)警0.1 MPa，出口高限報(bào)警30 MPa；③中控遠(yuǎn)程控制點(diǎn)壓力PI6302 量程設(shè)置相對應(yīng)0～60 MPa，變頻器50 Hz 對應(yīng)100%；④根據(jù)實(shí)際壓力值，用多用表2 擋電流測量遠(yuǎn)傳壓變4～20 mA 信號，看上傳中控值是否與現(xiàn)場對應(yīng)一致；⑤泵房開泵后，觀察泵進(jìn)出口壓力，油溫是否異常；⑥在中控室Honewell EPKS 系統(tǒng)操作站F 站修改操作權(quán)限，使操作員能任意給定出口壓力值SP；⑦泵加載后在中控室觀察EPKS 系統(tǒng)PID 調(diào)節(jié)是否起作用，可根據(jù)輸出百分?jǐn)?shù)計(jì)算卡件模擬通道輸出4～20 mA 電流數(shù)字和相對應(yīng)的變頻器運(yùn)行頻率，同時(shí)觀察泵實(shí)際出口壓力PV 值是否接近設(shè)定值SP；⑧測試泵出口壓力高報(bào)是否起作用，如泵開啟后未加載的情況下實(shí)際壓力為5 MPa，可在數(shù)顯儀上設(shè)置出口壓力4.9 MPa高限報(bào)警停機(jī)，觀察是否停機(jī)，油溫高限報(bào)警測試也一樣。

3 效果分析

通過對軟啟動器改造后，不僅能實(shí)現(xiàn)變頻軟啟動注水泵，還能在泵停后減速停車，減少了泵啟動和停車過程中對電網(wǎng)和泵及管網(wǎng)的沖擊，延長了設(shè)備的使用壽命，減少了維修費(fèi)用和人工成本。在中控設(shè)定好壓力值26.1 MPa，控制系統(tǒng)通過EPKS、變頻器、電機(jī)、注水泵、壓變等形成閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)速根據(jù)壓力自動調(diào)節(jié)，最終達(dá)到26.1 MPa，中控PIC6302A 控制點(diǎn)PID 調(diào)節(jié)界面如圖5 所示。

圖5 中控PIC6302A 控制點(diǎn)PID 調(diào)節(jié)

從實(shí)際運(yùn)行中了解到，根據(jù)管網(wǎng)供水需求，反復(fù)改變出口壓力設(shè)定值，經(jīng)過一段比較長時(shí)間的觀察，315 kW 的變頻注水泵長期運(yùn)行在42 Hz 左右。

節(jié)電分析：

根據(jù)實(shí)際情況，變頻注水泵長時(shí)間在42 Hz 運(yùn)行，315 kW注水泵一年按運(yùn)行300 d、電價(jià)0.72 元/kW·h 計(jì)算。

每年節(jié)約電費(fèi)為（315×24-315×24×42/50）×300×0.72≈26.1（萬元）

4 結(jié)束語

通過對9#注水泵的軟啟動控制進(jìn)行改造，停用軟啟動柜，新裝變頻柜，將壓力變送器、溫度變送器和數(shù)顯控制儀等數(shù)字保護(hù)儀表應(yīng)用于油田注水泵上，結(jié)合中控霍尼韋爾EPKS 系統(tǒng)對壓力變送器和變頻器組態(tài)，實(shí)現(xiàn)了注水泵變頻啟動、變頻調(diào)速恒壓注水；使中控操作人員便于監(jiān)控注水泵運(yùn)行情況，根據(jù)工藝需求設(shè)定出口壓力，同時(shí)使泵具有出口高壓報(bào)警停機(jī)和潤滑油溫度高等報(bào)警停機(jī)功能，改造后的控制系統(tǒng)節(jié)能、安全、可靠，滿足了溫米聯(lián)合站注水泵工況的需求，對油田穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)起到積極的作用。