精細(xì)化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)

摘? 要：本文首先對(duì)精細(xì)化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹;其次對(duì)精細(xì)化恒壓穩(wěn)流注水控制系統(tǒng)的原理、特點(diǎn)及技術(shù)作了簡(jiǎn)述，說明了項(xiàng)目改造的先進(jìn)性，簡(jiǎn)要介紹系統(tǒng)類型及技術(shù)指標(biāo);最后以長(zhǎng)慶油田第九采油廠劉峁塬作業(yè)區(qū)姬二十三注水站為實(shí)例，分析現(xiàn)場(chǎng)存在的問題，提出了改造思路，總結(jié)了現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)際效果，介紹了控制系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能效果等。

關(guān)鍵詞：精細(xì)化? 恒壓穩(wěn)流? 變頻控制系統(tǒng)? PID控制

中圖分類號(hào)：TE357.6 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）03（a）-0080-04

Fine Constant Pressure and Steady Flow Frequency Control System for Water Injection

SUN Runxi

（Shaanxi Rongcheng Intelligent Control Electromechanical Technology Co.， Ltd.， Xi'an， Shaanxi Province， 710043 China）

Abstract： This paper first briefly introduces the refined constant pressure and steady flow frequency conversion water injection control system; secondly， it briefly describes the principle， characteristics and technology of the refined constant pressure and steady flow water injection control system， explaining the advanced project transformation The system type and technical indicators are briefly introduced; finally， the Ji 23 water injection station in the Liumaoyuan operation area of the 9th oil production plant in Changqing Oilfield is used as an example to analyze the existing problems on the site， propose the reform ideas， and summarize the actual effects of the site installation ， Introduced the energy-saving effects of control system operation， etc.

Key Words： Refinement; Constant voltage and steady flow; Variable frequency control system; PID control

目前長(zhǎng)慶油田各個(gè)采油廠注水系統(tǒng)主要是手動(dòng)調(diào)整，變頻器運(yùn)行頻率來實(shí)現(xiàn)注水量的控制，但地下環(huán)境變換及下游負(fù)荷變化造成注水壓力或流量波動(dòng)起伏，劇烈頻繁的變化，不利于注水系統(tǒng)及管網(wǎng)安全可靠的運(yùn)行;同時(shí)注水系統(tǒng)中系統(tǒng)壓力和流量是動(dòng)態(tài)變化;人工操作不能及時(shí)準(zhǔn)確地適應(yīng)和調(diào)整，造成系統(tǒng)壓力和流量不能滿足需要。

采用精細(xì)化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)，可以根據(jù)設(shè)定的出水壓力或出水流量自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器頻率，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使注水壓力或流量保持穩(wěn)定，使注水系統(tǒng)精確細(xì)致可靠，同時(shí)減少人員勞動(dòng)強(qiáng)度，減少因注水壓力和流量過高造成的浪費(fèi)或過低引起的注水量不足，提高設(shè)備運(yùn)行效率，減少設(shè)備損耗。

1? 精細(xì)化注水控制系統(tǒng)原理、特點(diǎn)及技術(shù)說明

1.1 控制系統(tǒng)原理

注水工藝是采用柱水泵[1]配合轉(zhuǎn)速變頻[1]調(diào)速拖動(dòng)技術(shù)，注水系統(tǒng)壓力由采油平臺(tái)員工根據(jù)注水井配注要求進(jìn)行調(diào)整，注水站內(nèi)無法對(duì)泵壓和排量進(jìn)行有效控制。而注水井單井配注量小，注水井由閥門控制調(diào)水，瞬時(shí)排量不易控制，各平臺(tái)單井調(diào)水頻繁導(dǎo)致注水壓力波動(dòng)大，同時(shí)伴隨流量波動(dòng)，難以達(dá)到平穩(wěn)注水。不僅造成注水能耗較高、員工勞動(dòng)強(qiáng)度大且易發(fā)生注水井超注或欠注。針對(duì)劉峁塬采油作業(yè)區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)對(duì)注水工藝進(jìn)行改進(jìn)，采用了精細(xì)化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)工藝技術(shù)，不僅達(dá)到了平穩(wěn)注水效果且有效降低了注水能耗和工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)管理水平。精細(xì)化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)工藝技術(shù)的特點(diǎn)是對(duì)注水泵的出口壓力或流量進(jìn)行恒壓或穩(wěn)流控制，使注水泵的出口壓力或流量保持穩(wěn)定。從而使注水管網(wǎng)[1]的壓力或流量不受單井調(diào)水的影響。只要合理確定注水泵的出口壓力和注水井的注水流量就可保證注水過程的平穩(wěn)和注水作業(yè)的質(zhì)量。

1.2 控制系統(tǒng)特點(diǎn)

隨著油田采油區(qū)油井的注水系統(tǒng)的開發(fā)，不斷提高產(chǎn)液量，以液保油，這是油田注水開采保證原油穩(wěn)產(chǎn)的必要趨勢(shì)。同時(shí)注水壓力波動(dòng)起伏，使注水量跟蹤、監(jiān)控帶來障礙，不利于精細(xì)注水工作有效推進(jìn)。這些特點(diǎn)在滿足自動(dòng)控制的基本方式及自動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上[2]，配合專家PID控制原理[3]，依據(jù)電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)、改善工藝流程[4]，對(duì)于帶慣性負(fù)載系統(tǒng)的比例-加-微分控制[5]，更適合采用精細(xì)化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)，這將成為提高采油質(zhì)量、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步、實(shí)現(xiàn)無人控制和改善環(huán)境節(jié)約能源的主要手段。

1.3 控制系統(tǒng)技術(shù)說明

依據(jù)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理、組成和設(shè)計(jì)方法[6]，應(yīng)用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)與調(diào)速控制器技術(shù)[6]，采集匯管上壓力表和流量表自帶4-20Ma的輸出模擬信號(hào)（注水干線流量計(jì)自帶485通訊和4～20mA瞬時(shí)流量模擬量信號(hào)功能），在不影響目前scada系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集前提下，將壓力和流量信號(hào)通過RVVP電纜傳入自動(dòng)控制柜中。將壓力信號(hào)和流量信號(hào)接入智能儀表，進(jìn)行PID閉環(huán)控制[7]，經(jīng)過儀表PID運(yùn)算后的模擬信號(hào)接入PLC模擬量接口。經(jīng)過PLC編程處理后的數(shù)據(jù)接入各變頻器中，作為自動(dòng)控制的頻率給定方式。當(dāng)一臺(tái)泵作為主泵運(yùn)行時(shí)，另一臺(tái)根據(jù)主泵的運(yùn)行頻率，通過PLC運(yùn)算后使其達(dá)到最佳運(yùn)行頻率。

手動(dòng)運(yùn)行維持現(xiàn)在的方式，自動(dòng)運(yùn)行下每臺(tái)泵可以獨(dú)立運(yùn)行，也可啟動(dòng)兩臺(tái)以上的注水泵后各泵運(yùn)行頻率自動(dòng)調(diào)節(jié);多臺(tái)泵設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換開關(guān)，可以相互切換作為主泵運(yùn)行。

1.4 項(xiàng)目改造先進(jìn)性

恒壓穩(wěn)流兼容模式，在自動(dòng)運(yùn)行模式下，優(yōu)先保證注水壓力，壓力在設(shè)定范圍內(nèi)運(yùn)行，如果此時(shí)流量產(chǎn)生報(bào)警，超過設(shè)定的上限或下限，PLC通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓力和流量分析后，與設(shè)定壓力和流量的上下限對(duì)比，切換到恒流量模式控制;在恒流量運(yùn)行模式下，如果壓力產(chǎn)生報(bào)警后，注水泵直接切換到壓力運(yùn)行模式。由此保證注水工藝對(duì)壓力和流量的要求，達(dá)到精細(xì)化注水的要求。

多臺(tái)變頻器運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)泵頻率根據(jù)運(yùn)行情況實(shí)時(shí)調(diào)整，使泵最優(yōu)化運(yùn)行，主泵頻率由外部PID控制，輔助泵頻率通過PLC計(jì)算后相互配合運(yùn)行，多個(gè)變頻器頻率可自動(dòng)調(diào)節(jié)，各變頻器運(yùn)行頻率相差在5Hz范圍之內(nèi)，避免一臺(tái)在高頻率運(yùn)行，另一臺(tái)在低頻運(yùn)行。避免傳統(tǒng)控制中，PID控制主泵頻率，輔助泵靠人工調(diào)節(jié)，壓力或流量變大時(shí)，無法達(dá)到設(shè)定值。恒壓穩(wěn)流注水，壓力流量穩(wěn)定，變頻器頻率根據(jù)壓力和流量信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整。

停泵前扳動(dòng)泄壓按鈕，注水泵頻率降到20Hz運(yùn)行，管線壓力快速下降后，人工開始打開回流閥門，降低高壓通過回流閥門泄壓而產(chǎn)生的潛在危險(xiǎn)因素，提高設(shè)備和人員的安全，達(dá)到快速泄壓，安全泄壓，同時(shí)降低泄壓時(shí)設(shè)備的耗電量。

外部出現(xiàn)因管線原因泄漏，根據(jù)注水站標(biāo)準(zhǔn)化操作流程，不能帶壓力停泵，所以通過PLC對(duì)采集壓力進(jìn)行對(duì)比，如果設(shè)備正常運(yùn)行中，壓力波動(dòng)超過3MPa，注水泵可在0.5s以內(nèi)響應(yīng)切換到20Hz運(yùn)行，直到外部問題解決后，按動(dòng)復(fù)位按鈕后恢復(fù)恒壓穩(wěn)流供水模式，降低外部出現(xiàn)管線泄漏造成的意外事故。運(yùn)行切換手動(dòng)自動(dòng)模式，考慮到停泵流程復(fù)雜，可在不停泵情況下實(shí)現(xiàn)一鍵無憂手動(dòng)自動(dòng)切換。

PLC控制技術(shù)的應(yīng)用結(jié)合變頻器與變頻控制[8]，自動(dòng)變頻控制調(diào)速;注水泵精密機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝流程及其與傳感器和控制系統(tǒng)集成，以達(dá)到系統(tǒng)性能最佳[9]，保證壓力或流量的穩(wěn)定，采油廠高壓注水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)，優(yōu)化了注水工藝，最大限度發(fā)揮注水生產(chǎn)能力，節(jié)能效果顯著。

1.5 控制系統(tǒng)類型

精細(xì)化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面可以是儀表、觸摸屏或者上位機(jī);控制核心是PLC， PLC是將自動(dòng)化技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行融合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于主要信息的存儲(chǔ)，并與相關(guān)接口建立相對(duì)應(yīng)的聯(lián)系，從而加強(qiáng)對(duì)于機(jī)械電氣設(shè)備的控制[10]。

精細(xì)化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)有兩種系統(tǒng)類型（單系統(tǒng)和雙系統(tǒng)）、三種產(chǎn)品規(guī)格（標(biāo)準(zhǔn)配置、標(biāo)準(zhǔn)配置+觸摸屏、標(biāo)準(zhǔn)配置+觸摸屏+遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)）共6個(gè)系列可供選擇，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要靈活配置。手動(dòng)控制運(yùn)行和自動(dòng)控制運(yùn)行任意切換，互為備用，操作簡(jiǎn)單方便，安全靈活，能夠達(dá)到無人值守控制運(yùn)行效果，精度高，可靠性好，減少勞動(dòng)強(qiáng)度和成本。

1.6 控制系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

（1）供電要求：控制電壓 AC220V/50Hz。

（2）控制泵數(shù)量：2～5臺(tái)注水泵。

（3）控制功能：具有手動(dòng)、自動(dòng)和恒壓穩(wěn)流高精度控制功能。

（4）周圍溫度：-20℃至+55℃（不凍結(jié)）。

（5）周圍濕度：80%以下（不淋露）。

（6）海拔高度：≤2000m。

2? 現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)際效果

2.1 注水站現(xiàn)狀及存在的問題

劉峁塬作業(yè)區(qū)姬二十三注水站主要承擔(dān)劉九增和劉十二增的注水任務(wù)，對(duì)外注水干線江27-50和耿269兩條，江27-50注水干線下配注總井?dāng)?shù)41口，開井39口，日配注712m3，瞬時(shí)流量26.6-32.2m3/h，耿269注水干線下配注總井?dāng)?shù)8口，開井7口，日配注112m3，瞬時(shí)流量2.8～4.2m3/h，目前注水流量主要是手動(dòng)調(diào)整變頻器運(yùn)行頻率來實(shí)現(xiàn)注水量的控制，注水不穩(wěn)定，效果不佳，不能滿足精細(xì)化管理需要。

采用精細(xì)化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)依據(jù)設(shè)定的出水壓力或出水流量自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，自動(dòng)調(diào)節(jié)出水流量和壓力;確保注水壓力、流量的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)按需注水;同時(shí)減少人員勞動(dòng)強(qiáng)度，減少因注水壓力、流量過高造成的浪費(fèi)或過低引起的注水量不足，提高設(shè)備運(yùn)行效率，減少設(shè)備損耗。

2.2 改造思路

目前二十三注站內(nèi)有220kW往復(fù)式柱塞泵3臺(tái)，1、2號(hào)為變頻控制，3號(hào)為軟啟動(dòng)控制。站內(nèi)2臺(tái)變頻控制和1臺(tái)軟啟動(dòng)控制的合理配比，可以通過自動(dòng)控制改造即可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)流量在10.48～78.6m3/h的范圍內(nèi)無級(jí)設(shè)定，保證日注水量在251.5～1886.4m3。控制系統(tǒng)采集注水干線江27-50上的流量計(jì)自帶485通訊和4～20mA瞬時(shí)流量模擬量信號(hào)及匯管處壓力表帶4-20Ma壓力輸出模擬信號(hào)，在不影響目前scada系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集前提下，將壓力和流量信號(hào)通過RVVP電纜傳入自動(dòng)控制柜中。將壓力信號(hào)和流量信號(hào)接入智能儀表做PID閉環(huán)控制[7]，經(jīng)過儀表PID運(yùn)算后的模擬信號(hào)接入PLC模擬量接口。壓力信號(hào)接入到控制柜內(nèi)的隔離分配器，將信號(hào)分為兩路，一路接入智能儀表中做PID控制，另一路接入PLC中，PLC通過編程后的程序控制變頻器運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)變頻器的自動(dòng)控制[11]，做內(nèi)部各類保護(hù)和報(bào)警對(duì)比。經(jīng)過PLC編程處理后的數(shù)據(jù)接入1、2號(hào)變頻器中，作為自動(dòng)控制是頻率給定方式。流量信號(hào)作為保護(hù)條件，在設(shè)定范圍內(nèi)優(yōu)先以壓力方式控制變頻器，當(dāng)壓力維持在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，流量如果不在設(shè)定范圍，將切換到恒流量模式運(yùn)行，當(dāng)壓力下降到注水壓力下線立即切換到壓力控制。當(dāng)一臺(tái)泵作為主泵運(yùn)行時(shí)，另一臺(tái)根據(jù)主泵的運(yùn)行頻率，通過PLC運(yùn)算后使其達(dá)到最佳運(yùn)行控制效果。同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)自動(dòng)無憂切換控制運(yùn)行。控制原理如圖1所示。

3? 項(xiàng)目運(yùn)行及節(jié)能效果

精細(xì)化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)是油田各個(gè)采油廠開發(fā)應(yīng)用比較成熟、經(jīng)濟(jì)、具有潛力的技術(shù)，是油田采油廠實(shí)現(xiàn)智能化無人值守工作站系統(tǒng)中最核心、最重要、最有效的基礎(chǔ)。精細(xì)化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)既是油田自動(dòng)化開發(fā)水平的集中體現(xiàn)，又是未來持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，以精細(xì)化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過對(duì)注水站相關(guān)設(shè)備進(jìn)行改造，開發(fā)站控系統(tǒng)、監(jiān)控與生產(chǎn)分析模塊，可以最終實(shí)現(xiàn)注水站無人值守，減少了人工巡檢次數(shù)，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)化目前注水站的操作規(guī)程，有效提高注水系統(tǒng)管理水平，自動(dòng)化程度大大提高。

4? 結(jié)語

企業(yè)節(jié)能降耗是一個(gè)系統(tǒng)工程，選擇先進(jìn)的設(shè)備、優(yōu)化工藝手段，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。精細(xì)化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)，壓力和流量動(dòng)態(tài)跟蹤，自動(dòng)化程度高，可以實(shí)現(xiàn)無人值守等優(yōu)勢(shì)，實(shí)際效能非常好，節(jié)能降耗顯著，適于精細(xì)化管理的需要。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳九輔.泵控泵（PCP）自動(dòng)化注水泵站系統(tǒng)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007.

[2] 劉丁.自動(dòng)控制理論[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[3] 劉金琨.智能控制[M].4版.北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[4] 高安邦，胡乃文，馬欣.通用變頻器應(yīng)用技術(shù)完全攻略[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.

[5] [美]Katsuhiko Ogata著;盧伯英，佟明安譯.現(xiàn)代控制工程[M].5版.北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[6] 班華，李長(zhǎng)友.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2019.

[7] 孫潤(rùn)喜.恒壓控制系統(tǒng)方法及變頻恒壓控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)[J].科技資訊，2020，18（15）：35-36，38.

[8] 韓雪濤.自動(dòng)化工程師從入門到精通[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2019.

[9] （美）Alexander H.Slocum著;王建華譯.精密機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[10] 孫文侃.PLC技術(shù)在機(jī)械電氣控制裝置中的應(yīng)用探討[J].科技資訊，2020，18（23）：52-53，56.

[11] 魏國(guó)蓮，林成全.基于PLC技術(shù)的變頻自動(dòng)控制研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2020（17）：92-95，101.