“三合一”液位變頻閉環控制系統的節能效果分析

鞏宏偉（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

“三合一”液位變頻閉環控制系統的節能效果分析

鞏宏偉（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

油田轉油站的生產集輸控制過程中，“三合一”液位控制一直是最重要的環節。針對現有系統存在著浮球報警儀表不能實現連續液位檢測，生產運行極不平穩的弊端，通過技術改進，在原有液位控制系統中增加一個光柱指示的調節器，實現電動機自動啟停，從而保證了系統平穩運行，降低了電能消耗，減少電動機的維護費用，同時還解決了部分用電設備負荷不匹配的問題。達到了節能降耗的目的，經濟效益和社會效益顯著。

變頻器 儀表 液位控制 閉環

在油田生產集輸工藝控制過程中，液位的監控直接關系到油品的質量和生產安全。目前，通過低壓交流變頻調速器控制電動機轉速來調節轉油站油氣水三相分離器（以下簡稱“三合一”）液位、選用浮球報警儀表進行密閉容器的高、低液位報警，已在油田生產中得到廣泛應用。在油田轉油站的生產集輸控制過程中，“三合一”液位控制一直是最重要的環節，直接關系到油田生產安全。因此為了降低成本，提高經濟效益，必須做好“三合一”液位的檢測和控制工作。

1 存在的問題

目前油田生產存在著現用浮球報警儀表不能實現連續液位檢測，如應用連續液位檢測儀表很多都需要在“三合一”上重新開孔，因在密閉容器上開孔涉及問題較多，阻礙了此類儀表的安裝應用。結合采油廠集輸工藝現場實際情況，多數變頻器只能手動調節，未實現閉環自動控制，沒有完全發揮變頻器控制的節能優勢。

采油廠某轉油站原控制系統為根據顯示調節儀顯示液位的高低來手動調節變頻器，由于受流量、壓力的影響，滯后時間長，液位大范圍波動，生產運行極不平穩。這種情況下運行既浪費電能又影響電動機使用壽命，也沒有真正發揮變頻的優勢。針對上述問題，我們在原有的液位控制系統中又增加了一個光柱指示的調節器，較好地解決了這一問題。通過信號控制變頻器的輸出，控制電動機轉速，控制泵的排量，實現電動機自動啟停，既保證“三合一”液位平穩又降低了電能，減少電動機維護費用，還解決了部分用電設備負荷不匹配的問題。不但減輕值班工人的勞動強度，而且減少機泵磨損，實現“三合一”液位變頻閉環自動控制，提高了轉油站自動化管理水平。

2 自動控制系統改進的措施及技術關鍵

2.1改進措施

在控制室內新安裝一臺DTGX型光柱指示調節器，此儀表與普蘭店液位儀共同使用，實現了系統的閉環控制。思路是首先液位顯示儀接收現場檢測到的電阻信號，將其轉換成標準信號 4～20mA 并通過安全柵與調節器相連接，調節器接收到液位顯示儀的輸入信號，再與設定值相比較，達到調節變頻器的輸出。根據現場工況變化，選用DTGX型光柱指示調節器，經過反復的試驗，輸入適合現場情況 的 PID 控 制調節參數 ，通 過 PID 參數調節 來自 動控制變頻器輸出，實現了變頻閉環自動控制，從而達到液位平穩外輸的目的，見圖1。

新型光柱指示調節器安裝到現場后，系統運行穩定，實現了該轉油站密閉容器液位連續檢測、報警及自動控制等功能，保證了站上工藝安全穩定運行。同時“三合一”液位變頻閉環控制比手動控制變頻調節液位更節約電能，達到了節能的目的。安裝了該裝置后，我們隨機選取了一部分生產數據進行對比，可以看出在節能方面有明顯效果。外輸泵安裝前后電流對比見圖2。

圖1 “三合一”液位自動控制系統

圖2 外輸泵安裝前后電流對比

2.2技術關鍵

系統的技術關鍵是按照工藝對控制性能的要求，如何選擇一個質量可靠、效果滿意的調節器。比例控制 KP加大，使系統的動作靈敏，速度加快，當 KP太大時，系統會趨于不穩定。若 KP太小，又會使系統的動作緩慢；積分環節 Ki通常使系統的穩定性下降。 Ki太小系統將不穩定，振蕩次數較多。 Ki偏大，對系統性能的影響減小。只有當 Ki合適時，控制過程比較合理。微分控制 Kd可以改善動態特性，當 Kd偏大時，調節時間較長，當 Kd偏小時，調節時間也較長，只有 Kd合適時，可以得到比較滿意的過渡過程。調節器根據偏差調節 PID 的參數，當運行參數遠離目標參數時，調節幅度加快，隨著偏差的逐步接近，跟蹤的幅度逐漸減小，近似相等時，系統達到一個平衡，使“三合一”液位始終保持在一定的穩定狀態。

達到的主要技術指標能將現場“三合一”液位較平穩地控制在 2.2m 左右。當來液量較大，液位超過設定值時，調節器調節，變頻器頻率逐漸增大，外輸泵轉速加快，泵的排量變大，液位逐漸下降。同理當液位低于設定值時，變頻器頻率越來越小，外輸泵轉速越來越慢，直到電動機停止工作，液位逐漸上升，從而達到液位平穩的目的。DTGX調節器達到本質安全規范，精確等級為 0.5，供電電 源 為 24VDC， 輸入輸出 信 號 為 1～5V 或 4～20 mA，此調節器結構簡單、維護方便、測量范圍可調、極易便于站上值班工作人員的操作。

3 經濟效益評估

該調節器于2011年3月中旬在采油廠某轉油站的 1#“三合一”罐應用后，系統經過兩個多月的運行，安全可靠，解決了泵站外輸安全平穩運行的問題，達到了節能降耗的目的。1#外輸泵閉環狀態運行參數見表1，2#外輸泵開環狀態運行參數見表2。

表1 1#外輸泵閉環狀態運行參數

表2 2#外輸泵開環狀態運行參數

開環控制的 2#機泵年均耗電量為 959428kWh；閉環控制的 1#機泵年均耗電量為 772548kWh。調節 器 的 成本 是 2000 元 ， 如 果 電 費 按 1.0 元/kWh 計算，則單臺泵年節約資金為 184880 元。由此可見，安裝此調節器形成閉環后，單臺泵可年節約資金 18余萬元，采油廠總共有轉油站 65座，46座未能實現閉環控制，每套按年平均節約資金10萬元計算，就能節約400余萬元。

4 結語

“三合一”液位控制系統的改進保證了液位自動安全平穩運行，從而保證了站上的工藝系統的相對穩定，減少跑、冒罐現象的發生，并且減輕操作員工的勞動強度，減少機泵磨損，還可節約電能，提高轉油站自動化管理水平。經過現場應用，同其它常規儀表相比，具有安裝方便、調試簡便、遠傳信號標準、實現了防爆等優點，經濟效益和社會效益顯著，建議進一步擴大應用規模。

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.011.008

2013-09-20）

鞏宏偉，2009年畢業于大慶石油學院 （電器工程與自動化 ）， 從 事 油 田 儀 器 儀 表 維 修 與 檢 測 工 作 ， E-mail：gonghw@petrochina.com.cn， 地 址 ： 黑 龍 江 省 大 慶 油 田 有 限 責 任 公 司第二采油廠工程技術大隊儀表室，163000。