“三合一”液位變頻閉環(huán)控制系統(tǒng)的節(jié)能效果分析

鞏宏偉（大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠）

“三合一”液位變頻閉環(huán)控制系統(tǒng)的節(jié)能效果分析

鞏宏偉（大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠）

油田轉(zhuǎn)油站的生產(chǎn)集輸控制過程中，“三合一”液位控制一直是最重要的環(huán)節(jié)。針對現(xiàn)有系統(tǒng)存在著浮球報警儀表不能實現(xiàn)連續(xù)液位檢測，生產(chǎn)運行極不平穩(wěn)的弊端，通過技術(shù)改進(jìn)，在原有液位控制系統(tǒng)中增加一個光柱指示的調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)電動機自動啟停，從而保證了系統(tǒng)平穩(wěn)運行，降低了電能消耗，減少電動機的維護(hù)費用，同時還解決了部分用電設(shè)備負(fù)荷不匹配的問題。達(dá)到了節(jié)能降耗的目的，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。

變頻器 儀表 液位控制 閉環(huán)

在油田生產(chǎn)集輸工藝控制過程中，液位的監(jiān)控直接關(guān)系到油品的質(zhì)量和生產(chǎn)安全。目前，通過低壓交流變頻調(diào)速器控制電動機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)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(jìn)行密閉容器的高、低液位報警，已在油田生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。在油田轉(zhuǎn)油站的生產(chǎn)集輸控制過程中，“三合一”液位控制一直是最重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到油田生產(chǎn)安全。因此為了降低成本，提高經(jīng)濟(jì)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(chǎn)存在著現(xiàn)用浮球報警儀表不能實現(xiàn)連續(xù)液位檢測，如應(yīng)用連續(xù)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(yīng)用。結(jié)合采油廠集輸工藝現(xiàn)場實際情況，多數(shù)變頻器只能手動調(diào)節(jié)，未實現(xiàn)閉環(huán)自動控制，沒有完全發(fā)揮變頻器控制的節(jié)能優(yōu)勢。

采油廠某轉(zhuǎn)油站原控制系統(tǒng)為根據(jù)顯示調(diào)節(jié)儀顯示液位的高低來手動調(diào)節(jié)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(chǎn)運行極不平穩(wěn)。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(fā)揮變頻的優(yōu)勢。針對上述問題，我們在原有的液位控制系統(tǒng)中又增加了一個光柱指示的調(diào)節(jié)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(zhuǎn)速，控制泵的排量，實現(xiàn)電動機自動啟停，既保證“三合一”液位平穩(wěn)又降低了電能，減少電動機維護(hù)費用，還解決了部分用電設(shè)備負(fù)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(xiàn)“三合一”液位變頻閉環(huán)自動控制，提高了轉(zhuǎn)油站自動化管理水平。

2 自動控制系統(tǒng)改進(jìn)的措施及技術(shù)關(guān)鍵

2.1改進(jìn)措施

在控制室內(nèi)新安裝一臺DTGX型光柱指示調(diào)節(jié)器，此儀表與普蘭店液位儀共同使用，實現(xiàn)了系統(tǒng)的閉環(huán)控制。思路是首先液位顯示儀接收現(xiàn)場檢測到的電阻信號，將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號 4～20mA 并通過安全柵與調(diào)節(jié)器相連接，調(diào)節(jié)器接收到液位顯示儀的輸入信號，再與設(shè)定值相比較，達(dá)到調(diào)節(jié)變頻器的輸出。根據(jù)現(xiàn)場工況變化，選用DTGX型光柱指示調(diào)節(jié)器，經(jīng)過反復(fù)的試驗，輸入適合現(xiàn)場情況 的 PID 控 制調(diào)節(jié)參數(shù) ，通 過 PID 參數(shù)調(diào)節(jié) 來自 動控制變頻器輸出，實現(xiàn)了變頻閉環(huán)自動控制，從而達(dá)到液位平穩(wěn)外輸?shù)哪康?，見圖1。

新型光柱指示調(diào)節(jié)器安裝到現(xiàn)場后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了該轉(zhuǎn)油站密閉容器液位連續(xù)檢測、報警及自動控制等功能，保證了站上工藝安全穩(wěn)定運行。同時“三合一”液位變頻閉環(huán)控制比手動控制變頻調(diào)節(jié)液位更節(jié)約電能，達(dá)到了節(jié)能的目的。安裝了該裝置后，我們隨機選取了一部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可以看出在節(jié)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(tǒng)

圖2 外輸泵安裝前后電流對比

2.2技術(shù)關(guān)鍵

系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵是按照工藝對控制性能的要求，如何選擇一個質(zhì)量可靠、效果滿意的調(diào)節(jié)器。比例控制 KP加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，當(dāng) KP太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。若 KP太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢；積分環(huán)節(jié) Ki通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。 Ki太小系統(tǒng)將不穩(wěn)定，振蕩次數(shù)較多。 Ki偏大，對系統(tǒng)性能的影響減小。只有當(dāng) Ki合適時，控制過程比較合理。微分控制 Kd可以改善動態(tài)特性，當(dāng) Kd偏大時，調(diào)節(jié)時間較長，當(dāng) Kd偏小時，調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器根據(jù)偏差調(diào)節(jié) PID 的參數(shù)，當(dāng)運行參數(shù)遠(yuǎn)離目標(biāo)參數(shù)時，調(diào)節(jié)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(tǒng)達(dá)到一個平衡，使“三合一”液位始終保持在一定的穩(wěn)定狀態(tài)。

達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)能將現(xiàn)場“三合一”液位較平穩(wěn)地控制在 2.2m 左右。當(dāng)來液量較大，液位超過設(shè)定值時，調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，變頻器頻率逐漸增大，外輸泵轉(zhuǎn)速加快，泵的排量變大，液位逐漸下降。同理當(dāng)液位低于設(shè)定值時，變頻器頻率越來越小，外輸泵轉(zhuǎn)速越來越慢，直到電動機停止工作，液位逐漸上升，從而達(dá)到液位平穩(wěn)的目的。DTGX調(diào)節(jié)器達(dá)到本質(zhì)安全規(guī)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(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、測量范圍可調(diào)、極易便于站上值班工作人員的操作。

3 經(jīng)濟(jì)效益評估

該調(diào)節(jié)器于2011年3月中旬在采油廠某轉(zhuǎn)油站的 1#“三合一”罐應(yīng)用后，系統(tǒng)經(jīng)過兩個多月的運行，安全可靠，解決了泵站外輸安全平穩(wěn)運行的問題，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。1#外輸泵閉環(huán)狀態(tài)運行參數(shù)見表1，2#外輸泵開環(huán)狀態(tài)運行參數(shù)見表2。

表1 1#外輸泵閉環(huán)狀態(tài)運行參數(shù)

表2 2#外輸泵開環(huán)狀態(tài)運行參數(shù)

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

4 結(jié)語

“三合一”液位控制系統(tǒng)的改進(jìn)保證了液位自動安全平穩(wěn)運行，從而保證了站上的工藝系統(tǒng)的相對穩(wěn)定，減少跑、冒罐現(xiàn)象的發(fā)生，并且減輕操作員工的勞動強度，減少機泵磨損，還可節(jié)約電能，提高轉(zhuǎn)油站自動化管理水平。經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用，同其它常規(guī)儀表相比，具有安裝方便、調(diào)試簡便、遠(yuǎn)傳信號標(biāo)準(zhǔn)、實現(xiàn)了防爆等優(yōu)點，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著，建議進(jìn)一步擴大應(yīng)用規(guī)模。

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.011.008

2013-09-20）

鞏宏偉，2009年畢業(yè)于大慶石油學(xué)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(zé) 任 公 司第二采油廠工程技術(shù)大隊儀表室，163000。