變頻恒壓供水系統(tǒng)在沙漠油田的應(yīng)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(yè)區(qū)，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(fēng)城油田作業(yè)區(qū)，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(tǒng)在沙漠油田的應(yīng)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(yè)區(qū)，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(fēng)城油田作業(yè)區(qū)，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(tǒng)進行改造。將供水管網(wǎng)壓力變送器的壓力信號傳輸給PLC，進行PID調(diào)節(jié)改變變頻器的輸出頻率，控制水泵機組的供水流量，實現(xiàn)了自動控制和調(diào)節(jié)供水。該系統(tǒng)能根據(jù)現(xiàn)場實際用水(外輸管線壓力)自動調(diào)節(jié)水量，維持恒定水壓；同時，還能根據(jù)檢測到的清水罐液位，自動啟停水泵，具有系統(tǒng)工作穩(wěn)定、節(jié)能效果明顯、便于維修擴展、性價比高等優(yōu)點。

恒壓供水系統(tǒng)可編程控制器變頻器PID調(diào)節(jié)

石西油田作業(yè)區(qū)位于古爾班通古特沙漠腹部，生產(chǎn)基地生活給水系統(tǒng)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(qū)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(tǒng)的壓力設(shè)定值為0.30～0.45MPa，當(dāng)出水管匯壓力低于設(shè)定的下限，2臺清水泵工頻運行；出水管匯壓力處于設(shè)定范圍內(nèi)時，1臺清水泵工頻運行；當(dāng)壓力高于設(shè)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(fā)，基地生活區(qū)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(tǒng)具有自動運行、恒壓供水、節(jié)約電能的性能，需要對其進行優(yōu)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(tǒng)[1]可以滿足上述改造要求。系統(tǒng)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(huán)控制系統(tǒng)。

1.2檢測與控制

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

a) 供水管網(wǎng)的水壓信號。該信號反映的是用戶管網(wǎng)內(nèi)部的水壓值，是該系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳送給變頻器，從而控制水泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)供水系統(tǒng)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(jiān)測，由PLC擴展模擬量模塊來接收。當(dāng)水位達(dá)到PLC設(shè)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(fā)生空轉(zhuǎn)，保護系統(tǒng)及電機的安全穩(wěn)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(tǒng)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(shè)備。PLC通過系統(tǒng)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(tǒng)執(zhí)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(yīng)的控制[1]。恒壓供水系統(tǒng)的控制流程如圖1所示，該系統(tǒng)將供水管網(wǎng)上壓力變送器的壓力信號傳輸給PLC，對輸入值與設(shè)定值進行比較，通過PID調(diào)節(jié)改變變頻器的輸出頻率，控制水泵機組的供水流量，從而達(dá)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(tǒng)的工作流程分為系統(tǒng)啟動、PID調(diào)節(jié)、增泵運行、減泵運行四個流程[2]。

1) 系統(tǒng)啟動。PLC執(zhí)行系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)對供水水壓與壓力設(shè)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(zhuǎn)速。當(dāng)檢測到的供水壓力值與系統(tǒng)設(shè)定值相等時，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，此時變頻器的輸出頻率和水泵電機的轉(zhuǎn)速都達(dá)到一個固定值，這期間水泵電機工作在調(diào)速狀態(tài)。

圖1　恒壓供水系統(tǒng)控制流程示意

2) PID調(diào)節(jié)。當(dāng)用戶端用水量增加時，供水管網(wǎng)壓力降低，PLC根據(jù)壓力變化進行PID調(diào)節(jié)，變頻器輸出頻率增加，水泵電機轉(zhuǎn)速增大同時流量增大，使供水壓力值與系統(tǒng)設(shè)定值相等。反之，當(dāng)用戶端用水量減小時，系統(tǒng)通過PID運算，最終控制電機轉(zhuǎn)速減小，減小系統(tǒng)供水流量，使供水壓力值與系統(tǒng)設(shè)定值相等。

3) 增泵運行。當(dāng)用戶用水量增加較多，變頻器的輸出頻率達(dá)到頻率設(shè)定上限，水泵電機滿負(fù)荷運行，系統(tǒng)供水管網(wǎng)的供水壓力仍然低于系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)速，重新使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)。如果用戶的用水量仍然增加，達(dá)到增加水泵的條件時，則繼續(xù)按上述步驟增加水泵，直到系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)為止。

4) 減泵運行。當(dāng)用戶用水量減小，且變頻器的輸出頻率已經(jīng)達(dá)到變頻器頻率的設(shè)定下限時，系統(tǒng)供水管網(wǎng)的水壓仍然高于系統(tǒng)的壓力設(shè)定值，則滿足減泵條件。此時，PLC接到信號，關(guān)閉工頻運行中運行時間最長的水泵，同時PLC繼續(xù)根據(jù)壓力傳感器檢測到的信號運行，控制變頻器的輸出頻率，調(diào)整水泵電機轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。如果用戶水量繼續(xù)減小，達(dá)到減少水泵條件時，則繼續(xù)按照上述步驟減少水泵，直到達(dá)到平衡為止。

3　應(yīng)用效果

利用PLC及變頻器對供水系統(tǒng)的外輸水壓、清水罐液位進行信號監(jiān)測，控制4臺水泵的變頻運行、軟啟動以及工頻運行，實現(xiàn)了自動控制和調(diào)節(jié)供水。該系統(tǒng)能根據(jù)現(xiàn)場實際用水(外輸管線壓力)自動調(diào)節(jié)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(jù)檢測到的清水罐液位，自動啟停水泵，具有系統(tǒng)工作穩(wěn)定、節(jié)能效果明顯、便于維修擴展、性價比高等優(yōu)點。

[1]李方圓.PLC行業(yè)應(yīng)用實踐[M].北京： 中國電力出版社，2007.

[2]楊東平.變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)綜述[J].南京職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2004， 9(03)： 77-80.

[3]崔金貴.變頻調(diào)速恒壓供水在建筑給水應(yīng)用的理論探討[J].蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報，2000，19(01)： 84-89.

[4]張燕賓.變頻調(diào)速應(yīng)用實踐[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2002.

[5]王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京： 航空航天大學(xué)出版社，2008.

[6]郭丙君，黃旭峰.深入淺出PLC技術(shù)及應(yīng)用設(shè)計[M]. 北京： 中國電力出版社，2008.

[7]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社，2010.

[8]廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2008.

[9]吳浩烈.電機及電力拖動基礎(chǔ)[M].重慶： 重慶大學(xué)出版社，1996.

[10]戴先忠.過程控制工程[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2007.

門虎(1974—)，男，河南鎮(zhèn)平人，1994年畢業(yè)于新疆克拉瑪依技校采油自動化專業(yè)，現(xiàn)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(yè)區(qū)，從事自動化應(yīng)用及維護工作，任高級技師。

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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。