變頻恒壓供水系統在沙漠油田的應用

門虎，張玉華，龔疆玲

(1. 中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司 石西油田作業區，新疆 克拉瑪依 834000;2. 中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司 風城油田作業區，新疆 克拉瑪依 834000 3. 中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司 采油一廠，新疆 克拉瑪依 834000)

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變頻恒壓供水系統在沙漠油田的應用

門虎1，張玉華2，龔疆玲3

(1. 中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司 石西油田作業區，新疆 克拉瑪依 834000;2. 中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司 風城油田作業區，新疆 克拉瑪依 834000 3. 中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司 采油一廠，新疆 克拉瑪依 834000)

為滿足生活、供熱、供暖等的用水需求，利用PLC及變頻器對供水系統進行改造。將供水管網壓力變送器的壓力信號傳輸給PLC，進行PID調節改變變頻器的輸出頻率，控制水泵機組的供水流量，實現了自動控制和調節供水。該系統能根據現場實際用水(外輸管線壓力)自動調節水量，維持恒定水壓；同時，還能根據檢測到的清水罐液位，自動啟停水泵，具有系統工作穩定、節能效果明顯、便于維修擴展、性價比高等優點。

恒壓供水系統可編程控制器變頻器PID調節

石西油田作業區位于古爾班通古特沙漠腹部，生產基地生活給水系統由水源井、水處理裝置、供水控制裝置組成。原供水控制裝置驅動4臺功率為22 kW的立式離心給水泵，供水能力2400m3/d，供水系統的壓力設定值為0.30～0.45MPa，當出水管匯壓力低于設定的下限，2臺清水泵工頻運行；出水管匯壓力處于設定范圍內時，1臺清水泵工頻運行；當壓力高于設定的上限壓力時，2臺清水泵停止運行。其余2臺清水泵作為備用泵。

隨著沙漠油田滾動開發，基地生活區擴大增容，為滿足生活、供熱、供暖等的用水需求，原供水控制裝置啟停運行頻繁，人員管理難度大，電氣故障逐漸增多且耗電量高。為使供水系統具有自動運行、恒壓供水、節約電能的性能，需要對其進行優化改造。

1　改造方案與功能

1.1改造方案

采用由可編程邏輯控制器(PLC)及變頻器組成的變頻恒壓供水控制系統[1]可以滿足上述改造要求。系統由S7-200PLC、ACS400變頻器、軟啟動器、壓力變送器、液位變送器和水泵機組共同組成完整的閉環控制系統。

1.2檢測與控制

1) 信號檢測。在系統控制正常工作過程中，需要對供水管網的水壓信號、水池的液位信號進行檢測，以確保系統正常穩定的運行。

a) 供水管網的水壓信號。該信號反映的是用戶管網內部的水壓值，是該系統所有反饋信號中最重要的信號之一。該信號為模擬量，需PLC擴展模擬量模塊來接收，PLC對該值進行PID處理后，將處理后的數據傳送給變頻器，從而控制水泵轉速，實現供水系統的恒壓供水。

b) 清水罐液位信號。該信號主要對水罐液位進行監測，由PLC擴展模擬量模塊來接收。當水位達到PLC設定下限時，PLC停止水泵的工作，從而防止水罐水量不足時水泵電機發生空轉，保護系統及電機的安全穩定工作，同時可對水罐液位高低限進行報警。

2) 恒壓控制。恒壓供水系統的控制部分一般包含在供水控制柜中，主要包括PLC，變頻器，軟啟動器和電控設備。PLC通過系統程序匯總來自各部分的信息，并進行分析計算，從而得出對整個系統執行部件的控制方案，通過變頻器、軟啟動器對水泵機組進行相應的控制[1]。恒壓供水系統的控制流程如圖1所示，該系統將供水管網上壓力變送器的壓力信號傳輸給PLC，對輸入值與設定值進行比較，通過PID調節改變變頻器的輸出頻率，控制水泵機組的供水流量，從而達到恒壓供水的目的。

2　恒壓供水工作流程

變頻恒壓供水系統的工作流程分為系統啟動、PID調節、增泵運行、減泵運行四個流程[2]。

1) 系統啟動。PLC執行系統內部程序，啟動變頻器，變頻器帶動其中工作時間最短的水泵運行，系統對供水水壓與壓力設定值進行比較計算，控制變頻器的輸出頻率，從而改變水泵電機的轉速。當檢測到的供水壓力值與系統設定值相等時，系統達到穩定，此時變頻器的輸出頻率和水泵電機的轉速都達到一個固定值，這期間水泵電機工作在調速狀態。

圖1　恒壓供水系統控制流程示意

2) PID調節。當用戶端用水量增加時，供水管網壓力降低，PLC根據壓力變化進行PID調節，變頻器輸出頻率增加，水泵電機轉速增大同時流量增大，使供水壓力值與系統設定值相等。反之，當用戶端用水量減小時，系統通過PID運算，最終控制電機轉速減小，減小系統供水流量，使供水壓力值與系統設定值相等。

3) 增泵運行。當用戶用水量增加較多，變頻器的輸出頻率達到頻率設定上限，水泵電機滿負荷運行，系統供水管網的供水壓力仍然低于系統設定值，則滿足增泵條件。變頻器處于變頻固定式工作模式，此時PLC控制軟啟動器帶動4個水泵中運行時間最短的水泵啟動，使該水泵工頻運行，同時PLC接收來自壓力PID控制器的檢測信號，控制變頻器的輸出頻率，改變變頻泵的轉速，重新使系統達到穩定的工作狀態。如果用戶的用水量仍然增加，達到增加水泵的條件時，則繼續按上述步驟增加水泵，直到系統達到新的穩定狀態為止。

4) 減泵運行。當用戶用水量減小，且變頻器的輸出頻率已經達到變頻器頻率的設定下限時，系統供水管網的水壓仍然高于系統的壓力設定值，則滿足減泵條件。此時，PLC接到信號，關閉工頻運行中運行時間最長的水泵，同時PLC繼續根據壓力傳感器檢測到的信號運行，控制變頻器的輸出頻率，調整水泵電機轉速，使系統達到穩定狀態。如果用戶水量繼續減小，達到減少水泵條件時，則繼續按照上述步驟減少水泵，直到達到平衡為止。

3　應用效果

利用PLC及變頻器對供水系統的外輸水壓、清水罐液位進行信號監測，控制4臺水泵的變頻運行、軟啟動以及工頻運行，實現了自動控制和調節供水。該系統能根據現場實際用水(外輸管線壓力)自動調節水量，維持恒定水壓，滿足生活用水、供熱、供暖的需要；同時，還能根據檢測到的清水罐液位，自動啟停水泵，具有系統工作穩定、節能效果明顯、便于維修擴展、性價比高等優點。

[1]李方圓.PLC行業應用實踐[M].北京： 中國電力出版社，2007.

[2]楊東平.變頻調速恒壓供水系統綜述[J].南京職業技術學院學報，2004， 9(03)： 77-80.

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門虎(1974—)，男，河南鎮平人，1994年畢業于新疆克拉瑪依技校采油自動化專業，現就職于中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司石西油田作業區，從事自動化應用及維護工作，任高級技師。

TM921.51

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1007-7324(2016)04-0075-02

稿件收到日期： 2016-02-24，修改稿收到日期： 2016-05-16。