產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
青海油田計轉站轉水泵的自動控制
引言：
油田從采集原油，到原油的存儲，有一個比較復雜的輸送過程。在這個過程中，油水分離是比較關鍵的環節。主要有兩個指標：
1要保證一定的管道輸液量；
2輸送的原油含水率控制在30%~35%。
即：一方面，長輸管道輸送的油水混合物要保證一定的輸量。如采油二廠目前要保證58 m3/ h,即每天要有1400 m3/日輸量；另一方面，所輸油水混合物的含水率不能太高，如果保證1400 m3的管輸量的前提下，純原油量應保證在900 m3 以上，即含水不能超過35%。
要實現以上指標，必須在油水分離時嚴格控制含水率，并將水快速排掉。為實現這個過程，油田在總結以前工頻控制的基礎上，綜合考慮各方面的因素后，決定利用油水界面控制轉水泵轉速，實現油水界面穩定的自動控制。
一、油水分離的控制過程
油水分離的控制過程可有以下簡意圖表示之，如圖1。
從油田上采集的是油水混合物，通過各個混輸泵輸送到計轉站的千方罐中，此時由于油的密度低，浮于上面，水的密度高，沉于下面，形成了一個油水界面。通過在千方罐安裝視頻，將油水界面信號傳于控制室，操作人員即可根據此信號判斷罐中的液位，從而進行有效的控制。
1、油水界面高，則水層多，油層少，輸送油水混合物的含水率就高，管輸量就會超標，因此應提高轉速，降低油水界面，保證管輸量在規定范圍內。
2、油水界面低，則油層多，水層少。這一方面，純油流入500 m3管的量就多；另一方面，輸送油水混合物含水率太低，在輸送過程中油就發稠，甚至發生凝結事故。因此這時就必須降低轉速，使水層保持一定的量，提高輸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，保證一定的含水量，降低原油凝結事故的發生率。
總之，對千方罐而言，罐內油水界面高，要快速抽水，使水量降低，保證管輸油的含水率不能超標；罐內油水界面低時，要減少抽水，使罐內液位穩定 ，油能從千方罐迅速流出，保證輸油量。
改造前采用兩臺轉水泵工頻運行。當油水分界面低時，一臺泵運行；當油水界面較高時，兩泵并聯運行。當油水界面超低時，到達下限，兩泵都停止，以保持罐內水位。這樣人工控制，頻繁啟動，不但造成操作人員勞動強度增大，也造成轉水泵電能損耗增加，且油水界面控制不穩定，增加油水處理的難度。改造后使變頻器的頻率跟蹤油水界面的移動，油水界面高時提高轉速，界面低時降低轉速，實現油水界面的自動控制，即減輕操作人員的工作強度，又降低了電能的損耗，起到節能降耗的作用。
二、變頻控制的過程
1、變頻控制的原理
根據電機的轉速公式
n=60f*（1－s）/p
式中，n------------電機轉速
f-------------電源頻率
s-------------電機的轉差率
p--------------電機的極對數
當電機的參數不變時，即s、p不變時，n就正比于f,平滑的改變電機的供電頻率，則電機的轉速就會得到平滑的改變。
2、控制過程
轉水泵變頻控制的過程如圖2示：
如圖2所示，將油水界面的液位傳感器所變換的4-20mA電流信號分別傳至控制室及變頻控制的PID調節器，由PID進行比例、積分、微分處理后送給變頻器，由該信號調節變頻器的頻率，即可調節水泵的轉速，實現頻率對液位的跟蹤。
根據千方罐的罐高，確定罐內油水界面的上下限，并確定液位的期望值，再根據油井產液量的多少，適當的進行調整，在PID上設置上下限報警繼電器，由它來觸發第二臺泵的啟停。上限時啟動第二臺泵，快速抽水，下限時停第二臺泵，由液位信號調節變頻器的頻率，進而調整轉水泵的轉速，既可對系統實現自動調節。
系統控制的主電路如圖3示。
根據工況，設定變頻器的最高頻率為50Hz，最低頻率為25Hz，變頻器為開環運行，有PID 調整為閉環工作。
3、調試過程
該千方罐總高度為12.8米，出油口在10.0米，設定油水界面的最上限為9.80米，最低下限為9.50米。來液量多時，設定PID期望值（即目標值）為9.75米，上下限分別為9.80、9.70米。來液量少時，設定PID目標值為9.60米，上下限分別為9.65、9.55米，在上下限外時自動啟動第二臺泵，而在上下限之間時，有液位信號調節變頻器的頻率，即可跟蹤控制。
PID的參數調整時，由于系統為液位高時轉速快，液位低時轉速慢，因此應設為正反饋，根據實際情況及油田操作人員的觀察，首先讓PID自整定，整定出的PID值分別為P：3276，I：50，dt: 193.
觀察一段時間后，操作人員認為，頻率反應較慢，不能跟蹤液位的快速變化，于是提出要求，要求在設定值波動范圍內，液位比設定值高出5cm時，頻率應升至50Hz，低于5cm時，頻率應降至最低值25Hz, 又對PID進行適當調整，經試驗，P為2000，I為100，dt為30，并減少反應時間t為1，則反應快速，可滿足系統要求。
如當目標值設為9.55米時，液位在9.54---9.56之間時，頻率維持在38.5Hz，當液位在9.57米時，頻率波動，升至45Hz，在9.58---9.59米時，頻率升至50Hz，上限設為9.60米，回差設為0.02米，則在9.62米時啟動第二臺泵；當實際液位降至9.53米時，降 為31Hz，在9.52-9.51米時，降為25Hz，下限設為9.50米，在9.48米時停第二臺泵。
觀察一月的運行情況，油田及操作人員比較滿意，系統穩定運行，達到了自動控制的目的。調試完畢。
4、現時的運行情況
該系統經以上改造后，基本處于以下運行狀態：
（1）供液正常時， 即千方罐來液正常時，只要操作人員設定好PID的上下限，并設定PID的目標值為上下限中間值，則系統處于較理想的工況，由PID 調節變頻器的頻率，并有上下限值啟停第二臺泵，工作較穩定。
（2）當供液較多或較少時，即千方罐來液較多或較少時，操作人員根據實際情況調整液位的上下限及PID 的目標值，則系統又在新的平衡狀態下建立新的穩定狀態。
（3）根據這幾個月的觀察，操作人員每天根據液量的變化，有時調整一兩次，有時調整三四次，有時不調整，系統都能處于較好的控制狀態，達到了預期的效果。
三、變頻改造后的效果
（1）能穩定控制油水界面，使外輸混合液含水率穩定。即能保證管道輸量，又能保證含水率。
變頻改造后，由油水界面調整變頻器的頻率，使轉水泵的轉速自動跟蹤液位的變化。當液位較高時，自動升至50Hz 運行，若再高，超出設定的上限時自動啟動備用泵。使系統原油水界面相對穩定，控制起來十分方便。
（2）減輕了工人的勞動強度。原來工人觀察液位的變化后，再去啟停泵，有時一天十幾次，甚至二十幾次，不但費事、麻煩，勞動強度高，而且交流接觸器頻繁動作，也增加了器件的磨損，增加了不安全因素。
（3）節能，降低了電能的損耗。原來兩泵用于工頻，耗電大。經變頻改造后，1﹟泵處于變頻狀態，在液位較低時運行在最低頻率（25Hz），相當于空載，大大節約了電能，根據2006年7月8月的統計結果顯示改造后比改造前大約節電30%，18.5KW*2臺*24小時/天*365天/年*30%= 97KW， 效果是十分明顯的。
四、 系統需要改進的地方
（1）該系統為兩臺18.5KW 的水泵并聯運行。若能改為一臺（如37KW或45KW 的）單獨運行，則效果會更好，兩臺18.5KW 的排量并不是一臺18.5W 的泵的排量的雙倍。單泵運行，不但減少了泵的損耗，控制起來也較方便。
（2）若用PLC 控制，使兩泵處于循環控制狀態。1﹟泵至50Hz后切換入工頻運行，變頻器再帶2﹟泵，使2﹟泵處于變頻狀態；同理當2﹟泵升至50Hz 時，又切入工頻運行，再有變頻器帶1﹟泵運行，這樣循環控制，效果也會更好。
