油田自動穩(wěn)壓注水系統(tǒng)的研究與應用

田建勇

【摘 要】油田注水是油田開發(fā)過程中提升地層壓力、提高油田采收率的重要手段之一。注水井管理技術(shù)水平的高低決定了油田開發(fā)效果的好壞，同時也決定了油田開發(fā)壽命的長短。目前，多數(shù)注水壓力靠泵出口閥門或回流閥門手動控制來改變管網(wǎng)特性曲線進而調(diào)節(jié)泵的排量，這樣的調(diào)節(jié)方式電能損失大，泵閥門磨損嚴重，泵維修頻繁。文章提出將注水泵變頻器接入現(xiàn)有的數(shù)字化系統(tǒng)，通過現(xiàn)場的RS485總線Moddbus協(xié)議采集管線壓力數(shù)據(jù)和變頻器工況數(shù)據(jù)，利用注水站點的PLC進行PID自動控制，實現(xiàn)自動穩(wěn)壓注水。降低了能耗、減輕了工人工作強度、穩(wěn)定了管線壓力、提高了注水質(zhì)量及減少設備損耗。

【關(guān)鍵詞】注水;自動穩(wěn)壓;Modbus協(xié)議;PID控制

【中圖分類號】TE357.6 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）05-0074-02

1 簡介

1.1 注水概況

油田開發(fā)過程中地層能量不斷衰減，常用的注水方式是保持地層能量進行開發(fā)的。通常，注水壓力靠泵出口閥門或回流閥門手動控制來改變管網(wǎng)特性曲線，進而調(diào)節(jié)泵的排量，這種方式難以達到泵的最佳工況點，管網(wǎng)運行效率低，電能損失大，泵閥門磨損嚴重，泵維修頻繁。

目前，長慶油田分公司第一采油廠已推廣變頻技術(shù)，通過數(shù)字化建設，采集了注水站點流量及壓力數(shù)據(jù)，建設了SCADA平臺。因此，本文提出利用現(xiàn)有的變頻器、PLC控制器和SCADA平臺開發(fā)一個平臺，通過SCADA平臺下發(fā)指令，PLC控制變頻器，實現(xiàn)遠程自動穩(wěn)壓控制，使管網(wǎng)壓力保持穩(wěn)定，延長設備使用壽命，減輕人工勞動強度，降低能耗。

1.2 PID控制

PID控制（比例—積分—微分控制器）是工業(yè)控制應用領(lǐng)域中應用最廣泛、適應性最強的控制方法，它是一種閉環(huán)自動控制技術(shù)，通過測量、比較和執(zhí)行3個部分對被控量進行控制。將被控變量的實際值與期望值相比較得出偏差，再利用偏差糾正系統(tǒng)的響應，執(zhí)行調(diào)節(jié)控制。PID控制器由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。PID控制的基礎是比例控制;積分控制可消除穩(wěn)態(tài)誤差，但有可能增加超調(diào);微分控制可加快大慣性系統(tǒng)響應速度及減弱超調(diào)趨勢。

本文應用PID控制將管線壓力作為被控對象，壓力測量值作為反饋信號，通過自動調(diào)節(jié)變頻器工作頻率來達到自動穩(wěn)壓注水的目的。

2 設備硬件

2.1 注水站設備及工藝要求

以杏河作業(yè)區(qū)杏三撬注水站為例，現(xiàn)場由1臺“藍海華騰”E5-H變頻器拖動2臺315 kW三相異步電機的注水泵，將罐中的水泵出，為所轄50多個口井注水。為保證注水量，總匯管壓力控制為18 MPa，壓力波動不能超過±0.5 MPa。目前，通過人工開關(guān)回流閥控制總匯管壓力，增加了人工，不能根據(jù)管線壓力實時調(diào)節(jié)，管線壓力波動較大，不能滿足工藝要求。

2.2 數(shù)據(jù)采集及線路情況

目前，長慶油田分公司第一采油廠已開始數(shù)字化建設，杏三撬站內(nèi)有“安控”E40PLC控制器1臺，站內(nèi)壓力、流量數(shù)據(jù)已通過RS485總線Modbus協(xié)議采集，上傳至SCADA平臺。變頻器數(shù)據(jù)未采集，也沒有敷設控制線路，也就是說目前只采集了站內(nèi)流量和壓力數(shù)據(jù)，并未采集變頻器運行數(shù)據(jù)，也沒有對變頻器進行控制。本文提出將變頻器接入現(xiàn)有的SCADA平臺，對變頻器工況進行監(jiān)控，同時接入控制線路，通過平臺將注水泵變頻器納入SCADA控制。

3 方案制訂

3.1 信號及控制線纜敷設

要實現(xiàn)對變頻器的控制，需要敷信號及控制線纜。在變頻器和PLC之間敷設2組信號線、2組控制線纜，要求都為地埋線。

3.2 控制方案

在注水站內(nèi)工頻運行的“藍海華騰”E5-H變頻器與站內(nèi)已經(jīng)安裝的“安控”E40系列PLC設備之間敷設通信及控制電纜，編寫PLC程序，采用閉環(huán)PID自動調(diào)節(jié)。在SCADA平臺設定目標壓力，現(xiàn)場壓力變送器采集實時壓力數(shù)據(jù)，將采集到的壓力數(shù)據(jù)和控制目標相比較得出偏差，再由PID控制器計算得到輸出值，將輸出值發(fā)送給變頻器控制頻率，從而使現(xiàn)場壓力達到目標壓力。控制原理圖如圖1所示。

需要注意的是，本系統(tǒng)中管線壓力數(shù)據(jù)通過RS485總線采集，不是常見的模擬量信號反饋方式，這就需要編寫控制程序時，將壓力數(shù)據(jù)進行格式處理，便于PID計算。

4 開發(fā)SCADA上位機控制界面

為了方便員工操作和監(jiān)視系統(tǒng)運行情況，開發(fā)注水泵控制界面，實現(xiàn)壓力設置、壓力監(jiān)測、變頻器運行監(jiān)測、故障報警等功能（如圖2所示）。

5 編寫控制程序及現(xiàn)場調(diào)試

5.1 編寫控制程序

根據(jù)已制訂的方案，編寫控制程序，程序主要分以下3個部分。①變頻器參數(shù)據(jù)采集，實時監(jiān)控變頻器運行狀態(tài)。②壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化部分，將通過Modbus協(xié)議采集的匯管壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可供PID計算的數(shù)據(jù)格式。③PID控制部分，分為手動和自動控制方式。手動為直接手動給定變頻器工作頻率。自動控制方式為將設定的控制目標和采集到的實際壓力進行比較，再進行PID計算，得到應輸出的控制量，用于控制變頻器。由于壓力反饋數(shù)據(jù)是通過RS845總線采集的，程序編寫過程中壓力數(shù)據(jù)采集周期需小于PID采樣周期，只有這樣，才能保證控制效果。將所編寫的穩(wěn)壓控制程序作為子程序添加到油田公司PLC標準程序中。不影響主程序其他功能的運行，也方便后期維護。

5.2 現(xiàn)場調(diào)試整定PID參數(shù)

通過PID控制器參數(shù)的工程整定方法，整定PID參數(shù)已達到最佳控制效果，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試最終選定比例（P）、微分（I）、積分（D）參數(shù)分別為0.05、10、0.02。

5.3 測試控制效果

經(jīng)測定，當系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時可保持管線壓力18 MPa±0.03 MPa（如圖3所示）。設定新的控制目標，測定重新達到穩(wěn)態(tài)的響應速度：當設定壓力從18.0 MPa重新設置到17.5 MPa時，重新達到穩(wěn)態(tài)只需要64 s（如圖4所示）。由此可以看出，開發(fā)的自動穩(wěn)壓控制程序具有良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應速度，達到了之前提出的控制效果。

6 結(jié)語

綜上，本系統(tǒng)將通過RS485總線采集的壓力數(shù)據(jù)作為反饋信號，利用PID調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了對注水站注水泵壓力的遠程自動穩(wěn)壓控制，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性及抗干擾能力。

本系統(tǒng)在杏河作業(yè)區(qū)杏三撬站已經(jīng)投入使用，現(xiàn)場工作人員反映大大降低了工作強度，只需要在值班房就可以對管線壓力進行檢測和控制。系統(tǒng)投入運行以來，管線壓力波動小，已實現(xiàn)自動穩(wěn)壓運行。杏河作業(yè)區(qū)可以通過SCADA平臺對注水站情況遠程監(jiān)控，也可以遠程設定壓力。

長慶油田分公司第一采油廠在現(xiàn)有的數(shù)字化建設基礎上，不用加裝模擬量輸出的壓力變送器進行壓力反饋采集，而利用PID控制，實現(xiàn)注水自動穩(wěn)壓，具有一定的推廣性。

參 考 文 獻

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[3]沈言夫.PID控制在乳化炸藥井下裝藥車上的應用[J].世界有色金屬，2018（9）：282-283.

[責任編輯：鐘聲賢]