青海油田计转站的转水泵的自动控制
引言:
油田从采集原油,到原油的存储,有一个比较复杂的输送过程。在这个过程中,油水分离是比较关键的环节。主要有两个指标:
1、 要保证一定的管道输液量;
2、 输送的原油含水率控制在30%~35%。
即:一方面,长输管道输送的油水混合物要保证一定的输量。如采油二厂目前要保证58 m3/ h,即每天要有1400 m3/日输量;另一方面,所输油水混合物的含水率不能太高,如果保证1400 m3的管输量的前提下,纯原油量应保证在900 m3 以上,即含水不能超过35%。
要实现以上指标,必须在油水分离时严格控制含水率,并将水快速排掉。为实现这个过程,油田在总结以前工频控制的基础上,综合考虑各方面的因素后,决定利用油水界面控制转水泵转速,实现油水界面稳定的自动控制。
一、 油水分离的控制过程
油水分离的控制过程可有以下简意图表示之,如图1。
![](/uploadfile/images/content_2012/content_3/content_24/201232411433461.jpg)
从油田上采集的是油水混合物,通过各个混输泵输送到计转站的千方罐中,此时由于油的密度低,浮于上面,水的密度高,沉于下面,形成了一个油水界面。通过在千方罐安装视频,将油水界面信号传于控制室,操作人员即可根据此信号判断罐中的液位,从而进行有效的控制。
1、 油水界面高,则水层多,油层少,输送油水混合物的含水率就高,管输量就会超标,因此应提高转速,降低油水界面,保证管输量在规定范围内。
2、油水界面低,则油层多,水层少。这一方面,纯油流入500 m3管的量就多;另一方面,输送油水混合物含水率太低,在输送过程中油就发稠,甚至发生凝结事故。因此这时就必须降低转速,使水层保持一定的量,提高输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,保证一定的含水量,降低原油凝结事故的发生率。
总之,对千方罐而言,罐内油水界面高,要快速抽水,使水量降低,保证管输油的含水率不能超标;罐内油水界面低时,要减少抽水,使罐内液位稳定 ,油能从千方罐迅速流出,保证输油量。
改造前采用两台转水泵工频运行。当油水分界面低时,一台泵运行;当油水界面较高时,两泵并联运行。当油水界面超低时,到达下限,两泵都停止,以保持罐内水位。这样人工控制,频繁启动,不但造成操作人员劳动强度增大,也造成转水泵电能损耗增加,且油水界面控制不稳定,增加油水处理的难度。改造后使变频器的频率跟踪油水界面的移动,油水界面高时提高转速,界面低时降低转速,实现油水界面的自动控制,即减轻操作人员的工作强度,又降低了电能的损耗,起到节能降耗的作用。
二、变频控制的过程
1、变频控制的原理
根据电机的转速公式
n=60f*(1-s)/p
式中,n————————————电机转速
f————————————-电源频率
s————————————-电机的转差率
p——————————————电机的极对数
当电机的参数不变时,即s、p不变时,n就正比于f,平滑的改变电机的供电频率,则电机的转速就会得到平滑的改变。
2、控制过程
转水泵变频控制的过程如图2示:
![](/uploadfile/images/content_2012/content_3/content_24/201232411444248.jpg)
如图2所示,将油水界面的液位传感器所变换的4—20mA电流信号分别传至控制室及变频控制的PID调节器,由PID进行比例、积分、微分处理后送给变频器,由该信号调节变频器的频率,即可调节水泵的转速,实现频率对液位的跟踪。
根据千方罐的罐高,确定罐内油水界面的上下限,并确定液位的期望值,再根据油井产液量的多少,适当的进行调整,在PID上设置上下限报警继电器,由它来触发第二台泵的启停。上限时启动第二台泵,快速抽水,下限时停第二台泵,由液位信号调节变频器的频率,进而调整转水泵的转速,既可对系统实现自动调节。
系统控制的主电路如图3示。
![](/uploadfile/images/content_2012/content_3/content_24/201232411451426.jpg)
根据工况,设定变频器的最高频率为50Hz,最低频率为25Hz,变频器为开环运行,有PID 调整为闭环工作。
3、调试过程
该千方罐总高度为12.8米,出油口在10.0米,设定油水界面的最上限为9.80米,最低下限为9.50米。来液量多时,设定PID期望值(即目标值)为9.75米,上下限分别为9.80、9.70米。来液量少时,设定PID目标值为9.60米,上下限分别为9.65、9.55米,在上下限外时自动启动第二台泵,而在上下限之间时,有液位信号调节变频器的频率,即可跟踪控制。
PID的参数调整时,由于系统为液位高时转速快,液位低时转速慢,因此应设为正反馈,根据实际情况及油田操作人员的观察,首先让PID自整定,整定出的PID值分别为P:3276,I:50,dt: 193.
观察一段时间后,操作人员认为,频率反应较慢,不能跟踪液位的快速变化,于是提出要求,要求在设定值波动范围内,液位比设定值高出5cm时,频率应升至50Hz,低于5cm时,频率应降至最低值25Hz, 又对PID进行适当调整,经试验,P为2000,I为100,dt为30,并减少反应时间t 为1,则反应快速,可满足系统要求。
如当目标值设为9.55米时,液位在9.54——-9.56之间时,频率维持在38.5Hz,当液位在9.57米时,频率波动,升至45Hz,在 9.58——-9.59米时,频率升至50Hz,上限设为9.60米,回差设为0.02米,则在9.62米时启动第二台泵;当实际液位降至9.53米时,降 为31Hz,在9.52—9.51米时,降为25Hz,下限设为9.50米,在9.48米时停第二台泵。
观察一月的运行情况,油田及操作人员比较满意,系统稳定运行,达到了自动控制的目的。调试完毕。
4、现时的运行情况
该系统经以上改造后,基本处于以下运行状态:
(1)供液正常时, 即千方罐来液正常时,只要操作人员设定好PID的上下限,并设定PID的目标值为上下限中间值,则系统处于较理想的工况,由PID 调节变频器的频率,并有上下限值启停第二台泵,工作较稳定。
(2)当供液较多或较少时,即千方罐来液较多或较少时,操作人员根据实际情况调整液位的上下限及PID 的目标值,则系统又在新的平衡状态下建立新的稳定状态。
(3)根据这几个月的观察,操作人员每天根据液量的变化,有时调整一两次,有时调整三四次,有时不调整,系统都能处于较好的控制状态,达到了预期的效果。
三、变频改造后的效果:
(1)能稳定控制油水界面,使外输混合液含水率稳定。即能保证管道输量,又能保证含水率。
变频改造后,由油水界面调整变频器的频率,使转水泵的转速自动跟踪液位的变化。当液位较高时,自动升至50Hz 运行,若再高,超出设定的上限时自动启动备用泵。使系统原油水界面相对稳定,控制起来十分方便。
(2)减轻了工人的劳动强度。原来工人观察液位的变化后,再去启停泵,有时一天十几次,甚至二十几次,不但费事、麻烦,劳动强度高,而且交流接触器频繁动作,也增加了器件的磨损,增加了不安全因素。
(3)节能,降低了电能的损耗。原来两泵用于工频,耗电大。经变频改造后,1﹟泵处于变频状态,在液位较低时运行在最低频率(25Hz),相当于空载,大大节约了电能,根据2006年7月8月的统计结果显示改造后比改造前大约节电30%,18.5KW*2台*24小时/天*365天 /年*30%= 97KW, 效果是十分明显的。
四、 系统需要改进的地方
(1)该系统为两台18.5KW 的水泵并联运行。若能改为一台(如37KW或45KW 的)单独运行,则效果会更好,两台18.5KW 的排量并不是一台18.5W 的泵的排量的双倍。单泵运行,不但减少了泵的损耗,控制起来也较方便。
(2)若用PLC 控制,使两泵处于循环控制状态。1﹟泵至50Hz后切换入工频运行,变频器再带2﹟泵,使2﹟泵处于变频状态;同理当2﹟泵升至50Hz 时,又切入工频运行,再有变频器带1﹟泵运行,这样循环控制,效果也会更好。
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