任春林

（中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南?？?570100）

0 引言

變頻器利用微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源的頻率和電壓，從而控制電機的運轉(zhuǎn)。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，人們對傳動設(shè)備的控制要求更加復(fù)雜和精準。傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)由于體積大、故障率高而應(yīng)用場景受限。變頻器由微處理器控制，采用先進的IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）作為功率輸出器件，使得其具有極高的運行可靠性和全面、完善的保護功能，為變頻器和電機提供了良好的保護，因此在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛。

電機作為生產(chǎn)的主要設(shè)備，設(shè)備運行能耗高，占生產(chǎn)總能耗比例大，而變頻器在降低電機能耗、提高生產(chǎn)效益方面具有明顯優(yōu)勢。據(jù)統(tǒng)計，利用變頻調(diào)速可以節(jié)能30%以上，節(jié)能效果顯著。同時，使用變頻器進行調(diào)速控制可以減少對設(shè)備的沖擊，延長設(shè)備使用壽命，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。隨著電子元器件的不斷更新、高性能處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻控制技術(shù)越來越成熟，在穩(wěn)定性、安全性、智能控制等方面都有長足進步。海上平臺作為海上油氣生產(chǎn)一線，對設(shè)備的安全、節(jié)能、自動化程度以及可靠性等方面都有嚴格要求，如何保證海上采油設(shè)備的安全高效，是一線生產(chǎn)人員永恒的課題。

1 凝析油外輸系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概述

凝析油外輸系統(tǒng)采用半自動控制模式，當液位達到70%時，系統(tǒng)發(fā)出液位高報警信號，需手動啟動凝析油泵進行排液。當液位降至38%時，系統(tǒng)自動向凝析油外輸泵發(fā)出停止運行信號。設(shè)備運行停止時間比為1∶6，全天啟停次數(shù)超40 次。

1.2 問題分析

（1）設(shè)備頻繁啟動不利于節(jié)能。電機的啟動電流為正常運行電流的5～7 倍，頻繁啟動將增加能量的損耗，不利于節(jié)能。

（2）設(shè)備頻繁啟動對電機、凝析油泵造成損害。凝析油泵為柱塞泵，頻繁啟動所產(chǎn)生的沖擊與振動會造成柱塞泵連接機構(gòu)的機械性能疲勞，縮短連接機構(gòu)的機械壽命。同時，還可能引起柱塞泵盤根密封的過快磨損和固定螺栓松動，進而造成柱塞泵機油漏油等故障。電機的啟動電流大，也會加快電機絕緣老化的速度，影響電機使用壽命。另外，設(shè)備頻繁啟動造成的沖擊對閥門和管線的使用壽命也有不利影響。

（3）設(shè)備頻繁啟動不利于生產(chǎn)監(jiān)控。凝析油泵頻繁的運行，聚結(jié)分離器中凝析油腔的油液位變化很快，不利于中控室對凝析油液位的控制，同時極大增加了操作人員的工作量。

2 變頻控制技術(shù)應(yīng)用研究

2.1 變頻控制技術(shù)適用性分析

變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速、啟動和制動性能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高和節(jié)能理念的落實，變頻器在石油、化工等行業(yè)的生產(chǎn)中應(yīng)用越來越廣泛，取得了顯著的經(jīng)濟效益。變頻器具有調(diào)速范圍大、調(diào)速精度高、安全性能好、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點，在很多需要精確速度控制的工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮著很大作用，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率，同時減少人員工作量。并且其節(jié)能效果明顯，在節(jié)約用電、提高設(shè)備性能、保護環(huán)境等方面優(yōu)勢明顯。

變頻器是一種將交流電整流成直流后再逆變成頻率、電壓可變的交流電的專用裝置。變頻器可以根據(jù)轉(zhuǎn)速或扭矩等反饋信號調(diào)節(jié)電機電源的頻率和電壓，實現(xiàn)閉環(huán)控制，從而在相當寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)無極調(diào)速。閉環(huán)控制的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出會反送回來影響控制器輸出，反饋信號可分為正反饋和負反饋兩種，由反饋信號的值來決定。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的控制調(diào)節(jié)模式是PID（Proportional-Integral-Derivative，比例、積分、微分）控制，其具有工作原理簡單、適用范圍廣、控制參數(shù)相互獨立等特點，尤其當系統(tǒng)內(nèi)被控制對象各項參數(shù)屬于變量時，最適合用PID 控制技術(shù)。

在閉環(huán)液位控制中，可以通過變頻器實現(xiàn)PID 閉環(huán)控制，其中反饋信號取自液位控制系統(tǒng)的輸出端。當輸出量與所設(shè)定的給定值發(fā)生偏離時，系統(tǒng)對反饋信號進行響應(yīng)，調(diào)整變頻器的輸出。在控制器的輸入端，對給定信號與反饋信號進行比較，得出偏差值。對存在的偏差，經(jīng)過比例（P）、積分（I）、微分（D）調(diào)節(jié)，控制變頻器改變輸出頻率和電壓，可以快速、準確、高效地消除系統(tǒng)存在的偏差，使輸出值與設(shè)定值快速接近，并將系統(tǒng)振蕩和誤差控制在很小范圍內(nèi)。PID 控制適用于壓力控制、溫度控制、水位控制等，以MM440 系列變頻器為例，其PID 控制原理如圖1 所示。

圖1 MM440 變頻器PID 控制原理

變頻器根據(jù)凝析油油腔液位傳感器反饋的液位信號，改變凝析油泵電機的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)泵的出口流量。當油腔內(nèi)凝析油液位高時，電機轉(zhuǎn)速加快，使泵的出口流量加大；當凝析油液位降低時，電機轉(zhuǎn)速減慢，泵的出口流量減小，使油腔內(nèi)凝析油的液位維持在理想范圍。實踐證明，給凝析油外輸泵增加的變頻器控制液位功能，能較好地實現(xiàn)了設(shè)備的連續(xù)、穩(wěn)定運行。

2.2 變頻控制的優(yōu)勢

（1）節(jié)能。采用變壓、變頻的控制方式，大大減少了電機的啟動次數(shù)，從而有效實現(xiàn)節(jié)能，節(jié)能率達20%～60%。

（2）保護設(shè)備。變頻器可以實現(xiàn)電機的軟啟軟停，有效降低電機的啟動電流，減少電機啟動次數(shù)，延長電機使用壽命。同時也減輕了柱塞泵受到的啟動沖擊的次數(shù)，減少其機械損傷，對泵、管線起到保護作用。

（3）實現(xiàn)恒液位控制。實現(xiàn)液位與電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，能夠?qū)⒁何换揪S持在設(shè)定值范圍內(nèi)，有利于液位的精確控制。

（4）實現(xiàn)設(shè)備自動化運行，減少人員操作工作量，提高工作效率。

3 控制電路設(shè)計

系統(tǒng)改造后，通過增加變頻器PID 閉環(huán)控制模式實現(xiàn)系統(tǒng)恒液位運行。系統(tǒng)可以任意設(shè)定液位值，變頻器通過PID 調(diào)節(jié)自動調(diào)節(jié)輸出頻率，控制電機轉(zhuǎn)速，進而控制泵的出口流量。

變頻器將現(xiàn)場液位傳感器傳送來的4～20 mA 液位信號與設(shè)定值比較，通過PID 控制調(diào)整輸出的頻率、電壓，對電機進行轉(zhuǎn)速控制，從而實現(xiàn)恒定液位控制。主電路、控制原理、端子接線如圖2、圖3 所示。

圖2 主電路原理

圖3 控制電路原理

改造完成后，凝析油控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可以將液位控制在合理范圍內(nèi)，解決了設(shè)備頻繁啟動的問題。同時響應(yīng)了國家和公司積極提倡的節(jié)能增效政策，有利于提高設(shè)備使用年限，在降低設(shè)備運行故障率方面也取得了很好的效果。

4 結(jié)束語

變頻器作為交直流電的變換裝置，是重要的拖動控制設(shè)備，不僅能夠控制設(shè)備的正常運行，還在設(shè)備保護、節(jié)能、穩(wěn)定性等方面發(fā)揮著重要作用。利用變頻控制技術(shù)對老舊油氣生產(chǎn)裝置進行升級改造，可以大大提高裝置自動化生產(chǎn)水平，提高設(shè)備運行效率和穩(wěn)定性，保護傳動機械設(shè)備，優(yōu)化人員作業(yè)內(nèi)容，同時進一步降低設(shè)備能耗，提高節(jié)能水平。