喇嘛甸油田地面系統變頻裝置優化可行性研究應用分析

于艷暉

（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

1 現狀

1.1 變頻裝置使用現狀

通過對作業區調查，某廠站庫內變頻裝置共1 549 臺。不在用268 臺(其中不同程度損壞63 臺，控制面板損壞8 臺，變頻器損壞22 臺，風扇損壞21臺，繼電器損壞6 臺，無外殼或外殼損壞4 臺，控制線路不明情況損壞9 臺）。對損壞部位和損壞情況分析研究重新組裝，實現了新增可用變頻裝置26 臺。

調查第一、第六作業區變頻裝置共計32 臺、調查第二作業區變頻裝置15 臺、第三、第五作業區大站變頻裝置共計38 臺、第四作業區變頻裝置38 臺、第七作業區在用變頻裝置共計1 426 臺，其中110～75 kW 82 臺、55 kW 以下1 344 臺、備用變頻器262 臺。

1.2 變頻裝置的結構以及原理

變頻裝置一般由變頻柜、變頻器、隔離開關、交流接觸器、中間繼電器、電壓表、電流表、按鈕等組成。電路及其元器件工作原理，一次電路也稱為主電路，它是從電源到負載輸送電能時電流所經過的電路，即一次電路是直接與交流電網電源連接的電路。由一次設備相互連接，構成發電、輸電、配電或進行其他控制的電氣回路，稱為一次回路或一次接線系統。一次電路一般工作于高電壓、大電流工作狀態，一般一次電路的電源都是220 V 及以上交流電。其主要作用是對被控制對象的電源進行控制，從而實現對被控制對象的控制。二次電路及其元器件工作原理，二次電路又稱為控制電路或輔助電路，它是對主電路進行控制、保護、監視、測量的電路。二次電路中的各種設備稱為二次設備，它們包括各種控制開關（如按鈕等）、繼電器、接觸器的線圈和輔助觸點、信號燈、測量儀表、PLC等。由二次設備互相連接，構成對一次設備進行監測、控制、調節和保護的電氣回路稱為二次回路或二次接線，包括控制系統、信號系統、監測系統、繼電保護和自動化系統等[1-3]。

二次電路的電源是380 V、220 V、36 V 等交流電或直流電。380 V、220 V 電源可以在一次電源中取得，還可以用整流器和干電池取得直流電源。

2 閑置變頻裝置利舊研究

目前，某廠存在一批閑置變頻裝置。在這一些站庫中還有很多輸油泵、污水泵沒有加裝變頻裝置，其余一些變頻裝置由于油田產能變化，部分機泵調整，變頻裝置與電動機不匹配，出現“小馬拉大車”現象，導致變頻裝置高負荷運行，增加電能損耗，減少了電氣設備的使用壽命。根據現場實際機泵大小調配現有完好變頻裝置，合理的加裝更換變頻以達到利舊、節能、增效的目的。

2.1 變頻裝置利舊標準分析

在實際的變頻裝置利舊應用中，變頻裝置的選取和改造也至關重要，對于實際設備發揮節能作用有著重要影響。對此，為了更好的提高各類泵機組的節能效果，根據實際情況選用更好的利舊變頻器使用方案也很關鍵。設計人員應該充分考慮到泵站的場地環境，對于占地面積較小的輸油泵站，可以將組合串聯的變頻調速器加以應用，強化輸油泵機組的節能效果。與此同時，針對項目投資較少而且資金回收期短的項目，相關管理人員可以選擇串級調速設備，此類設備的資金投入相對較小，有利于實現能源的高效利用，對于電能的消耗也能得到很好地控制[4-5]。

2.2 變頻裝置更換的過程

通過對變頻裝置的統計。更換運行狀況不好（風扇損壞，控制面板損壞，超低頻運行，徹底損壞）的變頻裝置根據實際情況，改修為換。同時，針對變頻器的常見故障更換下來的開展修理工作，提高生產效率，降低維修成本[6-8]。

以下為更換試驗過程中形成的標準更換流程：配電室找到故障變頻器對應配電抽屜柜，并斷電；現場變頻柜進行驗電，確定變頻柜已斷電；拆除變頻器6 根主線，拆除控制線，并包好絕緣，拆除變頻器四角固定螺絲；更換利舊變頻器，用螺絲固定好變頻器，恢復控制線，恢復主線；送電，根據電動機型號調整變頻參數，點動確定電動機正反轉；啟動變頻裝置，恢復正常工作。

2.3 變頻裝置運行標準分析

目前，油田在用變頻裝置的工作方式兩種工作模式。第一種為開環控制，即人工控制變頻器的頻率，崗位員工根據現場工作要求實時對變頻器頻率調整，而相對變頻器所帶動的設備而言，是依靠變頻器本身的檢測模塊對設備進行過電流、過電壓保護，這種控制方式多用于抽油機、螺桿泵井等單機設備。第二種為閉環控制，配置、注聚、轉油放水、聯合站等多采用此種控制方式，這種控制方式主要特點是保護多，將設備的各種保護裝置的信號（即一次表）接入變頻器，如：壓力、溫度、流量、液位信號等，根據現場的工況控制要求，使變頻器始終在允許的范圍內自動調節頻率，優點是自動調節精準高、設備運行穩定性好。缺點是當一次表出現故障后，會導致變頻器停機，對維修人員的專業水平有一定要求，需要在此類控制裝置上再加裝一套手動運行控制電路，以便于手/自動切換變頻器的運行。根據變頻裝置在不同的應用場所，控制要求，其內部參數設置要有相應的技術參數[9-10]。電量對比試驗根據閉環控制方式進行加裝變頻裝置試驗，試驗數據見表1。

表1 試驗數據

2.4 變頻裝置利舊標準總結

目前，根據現場更換實際情況，做出以下總結：

1）變頻的控制面板以及控制電路板可以獨立更換，更換過程簡單，不需要整體更換設備。

2）風扇損壞導致變頻器過熱保護的故障是導致變頻裝置偷停，但是更換風扇需要將變頻器全面拆解更換難度大，不如直接更換一臺閑置的變頻器，使生產可以連續運行。

3）在40 Hz 以上運行的變頻器可以用更高一級的變頻器，例如7.5 kW 的變頻器可以用11 kW 的代替。

4）還有一部分故障變頻器，可以開展修理工作，根據幾年來的變頻器故障分析，變頻器硬件故障多集中在冷卻風扇、升壓電容、啟動保險電阻等，這些元器件的采購價格非常便宜，還有一部分故障是由變頻器控制柜內其它控制元器件損壞所引起的，因電氣元件常年處于運行狀態，它具有使用壽命，這種情況下引起的變頻器不啟動故障占有一定比例。

3 閑置變頻裝置運行優化研究

3.1 變頻裝置運行參數分析及調節現場試驗

運行參數包括啟動時間、制動時間、啟動頻率、啟動轉矩、變頻器載波頻率、變頻器運行頻率。變頻器運行頻率的設定，需要看現場時候有自動控制裝置。如果有，要進行PID 調節設置。而具體的設置則需要用試驗進行分析驗證。

啟動時間、制動時間、啟動頻率、啟動轉矩、變頻器載波頻率，要根據現場實際情況設定，以減少對電動機的損壞，有效降低電動機運行的溫度，增加利舊變頻器的使用年限。

3.1.1 試驗目的及思路

為了讓利舊變頻器可以盡可能在最佳效果運行，對安裝后變頻運行區間優化試驗轉油站做了小型試驗，根據試驗取得了一定的成果。通過170 轉油放水站的了解，170 站內溫度高，需要對變頻器散熱進行特殊設計，選用更大的變頻柜與風扇，通過對控制回路的改造，與170 站的流量計進行連接，使其可以進行自動調節。為了降低污水泵耗電量，全自動變頻運行改為手動定頻運行，但手動定頻運行員工勞動強度增加，為了找到在平穩生產期間污水泵合理的全自動運行頻率區間，開展污水泵變頻運行區間優化試驗。

3.1.2 試驗方案

第一階段全自動原始頻率范圍運行狀態階段，2021 年5 月17 日下午2 點至5 月18 日下午2 點。污水泵變頻全自動運行，運行頻率范圍5～50 Hz，頻率變化幅度45 Hz，站內值班人員記錄全天污水總量、污水泵總耗電量。第二階段手動定頻運行階段，2021 年5 月18 日下午2 點至5 月19 日下午2點。污水泵手動定頻運行，根據來液變化情況，小隊自行設定手動運行頻率。站內值班人員記錄每一次調整頻率的時間、頻率、污水泵瞬時流量、全天污水總量、污水泵總耗電量。從第三階段開始到第四、五階段全自動運行頻率變化幅度為25 Hz 階段，變頻器運行平穩。

3.1.3 試驗效果分析

試驗期間注意觀察上游3 000 m3污水沉降罐液位變化，下游污水站一次沉降罐和二次沉降罐液位變化，保證液位平穩。PLC 變頻控制的參數設定如果整定比例的系數控制過小，就會使系統的輸出量變化相對平緩，調節時間會大大延長。如果比例的系數控制過大，就會使系統在短時間內輸出量達到峰值，從而超過調節能夠承受的上限，讓超調量提高，造成超過范圍的動態變化，甚至會導致整個閉環系統出現難以控制的情況。具體操作應該由將比例系數調整到原比例系數的50%～80%，再由積分得出一個較大的時間數值設定，觀察響應曲線的變化幅度。接著降低積分時間，提高積分效果，同時對比例系數做出調整。經過不斷的調整后，得到一個與實際情況相符的響應效果，從而判斷出比例參數及其積分參數，并將其進行記錄。設定積分參數時，應該按照公式：

式中：KP為比例系數；TI為積分時間；TD為微分時間。將TD設定為0，逐步提高微分時間，并根據微分時間的變化，對于比例系數KP與積分之間TI做出相應的改變，直到得出一個較為符合實際情況的調節效果以及較為合理的PID 調節參數。為了能夠讓系統動態可以得到更好的相應，需要對比例環節、積分環節以及微分環節全部投入進行測試使用。利用數次參數設定對比，可知當設定P為10，I為0.15，D為0.01 時，根據公式（1）可以得到一個相對來說較為合理的控制，穩定后可以保持在每周期60 s 之內。

3.1.4 運用實例

6 座轉油站外輸油泵變頻參數及流量調查統計見表2，變頻高頻與低頻運行切換跳換頻繁，超出流量計范圍問題，符合上述調參條件。變頻參數優化情況見表3，優化前后節電效果對比見表4。

表2 6 座轉油站外輸油泵變頻參數及流量調查統計

表3 變頻參數優化情況

表4 優化前后節電效果對比

節電效果對比出作業區的變頻裝置頻率運行區間調整試驗說明了合理的調節變頻裝置參數是可以達到節電目的。結合當前各采油作業區的變頻器數量以及使用情況，如果進行全面調節的話，節電量是非常可觀的。

3.2 預期效果

經濟效益：利舊安裝小變頻器安裝費0.3 萬元，新建55 kW 變頻器一拖一2.5 萬元、一拖二3 萬元，110 kW 一拖一4.5 萬元、一拖二5.0 萬元，對比之后每臺最多節省投資4.7 萬元。增加一臺90 kW 變頻裝置，瞬時300 m2/h 的外輸泵上可節電0.01 kWh/m3、年耗電量節省約20%。

4 結論

建立全廠數據庫調查表，能夠根據運行年限及運行狀態，快速查詢到現場應用情況，并能及時解決問題。通過試驗證明形成PID 調節新理論，運用該理論調節過的變頻裝置可單耗節電0.007～0.020 kWh/m3。降低了電動機的溫度，還提高了流量計的精確度。合理調配后可以減少新建變頻柜，利舊原有變頻及完好元器件，提高閑置設備使用率20%以上，保證設備完好率100%。小功率變頻裝置的更換試驗，在試驗站后續運行平穩。同時形成了工藝標準和安裝指導書。更換利舊變頻裝置可以緩解變頻器維修的壓力。同時因為指導書的形成，節約更換時間。合理調配后可以減少新建變頻裝置，利舊變頻裝置每臺可降低成本88%，同時解決了變頻裝置損壞而影響第七作業區注入時率的問題。