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。

　　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：

　　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。

　　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。