變頻器在海洋石油平臺(tái)甲醇注入系統(tǒng)中的應(yīng)用

于祥春 關(guān)敬民 魏鵬飛 高 珂 張維維

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

變頻器在海洋石油平臺(tái)甲醇注入系統(tǒng)中的應(yīng)用

于祥春 關(guān)敬民 魏鵬飛 高 珂 張維維

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

介紹了變頻器在海洋石油平臺(tái)甲醇注入系統(tǒng)中的應(yīng)用。主要闡述了甲醇注入系統(tǒng)的工作原理、變頻器的硬件配置和軟件編程。

變頻器 海洋石油平臺(tái) 閉環(huán)控制 甲醇注入 節(jié)能

在海洋石油平臺(tái)采氣生產(chǎn)過(guò)程中，低溫高壓的工藝條件使井口和管線內(nèi)生成天然氣水合物。天然氣一旦形成水合物，易造成閥門(mén)、管線低洼地帶及管線彎頭等處堵塞，嚴(yán)重影響天然氣的集輸和正常生產(chǎn)[1～3]。為了防止水合物的生成，天然氣生產(chǎn)過(guò)程中通常向管道中注入甲醇。預(yù)防水合物生成的效果取決于注入甲醇的位置和甲醇在管線中同氣液流的均勻接觸。甲醇應(yīng)在生成水合物的位置之前加入，具體應(yīng)根據(jù)輸氣管線中的壓力和溫度分布進(jìn)行確定，在氣體被水飽和的條件下，水合物可能在低于水合物生成溫度的任何一點(diǎn)形成[4～6]。

以往，海洋石油平臺(tái)采氣生產(chǎn)多采用直接泵入式注醇方式來(lái)預(yù)防水合物的生成。這種方式無(wú)法平滑地調(diào)節(jié)注入量，甲醇在管線中同氣液流不能均勻接觸，計(jì)量也比較粗放，造成大量的浪費(fèi)[7～9]。本項(xiàng)目首次將變頻器應(yīng)用到甲醇注入系統(tǒng)中，利用變頻器調(diào)節(jié)注入量，并結(jié)合溫度、壓力等參數(shù)的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。這種閉環(huán)的變頻注入方式，既可以根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)平滑地調(diào)節(jié)注入量，也可很方便地實(shí)現(xiàn)精細(xì)化計(jì)量，節(jié)約能源，有效防止水合物的生成，提高油田采收率。

1 甲醇注入工作原理簡(jiǎn)介①

甲醇注入橇系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。甲醇注入橇主要由甲醇儲(chǔ)存罐、注入泵、進(jìn)出口過(guò)濾器、變頻器及控制閥等組成。系統(tǒng)中的兩臺(tái)甲醇儲(chǔ)存罐和兩臺(tái)注入泵各自互為備用，因此變頻器也是互為備用。儲(chǔ)罐頂部設(shè)有氮封，壓力范圍1～6kPa，自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證設(shè)備的安全。根據(jù)海管的溫度和壓力參數(shù)，通過(guò)變頻器平滑地調(diào)節(jié)注入泵的流量，從而調(diào)節(jié)甲醇的注入量。

圖1 甲醇注入橇系統(tǒng)的工藝流程

2 變頻控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

變頻控制電氣系統(tǒng)的接線如圖2所示，兩路三相380V(AC) 50Hz電源通過(guò)主接線端子引入，經(jīng)過(guò)斷路器和熔斷器到達(dá)變頻器主電路進(jìn)線口，變頻器主電路出線口即連接電機(jī)。該系統(tǒng)采用兩套變頻器，互為備用。控制系統(tǒng)電源通過(guò)萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)分別從兩路主電源入口取得電能?？刂葡到y(tǒng)回路增設(shè)變壓器，變換出220V(AC) 50Hz供給兩個(gè)空間加熱器和兩個(gè)風(fēng)扇使用，24V(DC)供給變頻器控制回路使用。

圖2 變頻控制電氣系統(tǒng)接線示意圖

控制系統(tǒng)采用西門(mén)子G120系列變頻器，具體配置如下：

a. 兩套控制單元CU240E-2 DP，型號(hào)6SL3244-0BB12-1PA1；

b. 兩塊MMC存儲(chǔ)卡，型號(hào)6SL3254-0AM00-0AA0；

c. 兩塊PM240功率模塊，型號(hào)6SL3224-0BE33-0UA0；

d. 兩塊基本操作面板BOP-2，型號(hào)6SL3255-0AA00-4CA1。

SINAMICS G120系列變頻器為交流電機(jī)提供經(jīng)濟(jì)的高精度的速度/轉(zhuǎn)矩控制。按照尺寸的不同(外形尺寸FSA～FSGX)功率范圍覆蓋0.37～250.00kW，廣泛適用于變頻驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合。功率模塊由控制單元里的微處理器控制。采用的高性能IGBT電機(jī)電壓脈寬調(diào)制技術(shù)和可選擇脈沖頻率，使得電機(jī)運(yùn)行極為靈活可靠。多方面的保護(hù)功能也為電機(jī)提供了更高一級(jí)的保護(hù)。

各控制模塊之間的通信采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò),它具有高速、低成本的特點(diǎn)，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。它與Profibus-PA(Process Automation)、Profibus-FMS(Fieldbus Message Specification)共同組成了Profibus標(biāo)準(zhǔn)。Profibus-DP用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。總線循環(huán)時(shí)間必須要比主站程序循環(huán)時(shí)間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，Profibus-DP還提供智能化設(shè)備所需的非周期性通信以實(shí)現(xiàn)組態(tài)、診斷和報(bào)警功能[10，11]。

3 變頻系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

西門(mén)子G120系列變頻器編程調(diào)試有兩種方式：使用操作面板BOP-2編程調(diào)試和采用STARTER軟件編程調(diào)試。操作面板BOP-2編程方式為按鍵式輸入編程，速度太慢。STARTER軟件編程利用個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程，編程速度較快，本項(xiàng)目即采用STARTER軟件編程調(diào)試方式。

變頻系統(tǒng)控制程序主要實(shí)現(xiàn)的功能有系統(tǒng)緊急停車(chē)、手動(dòng)式變頻調(diào)速、自動(dòng)式變頻調(diào)速、主電機(jī)和軸流風(fēng)扇同步控制、故障報(bào)警及故障報(bào)警復(fù)位等。下面就簡(jiǎn)單介紹系統(tǒng)緊急停車(chē)、專(zhuān)家列表、模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字量輸入及數(shù)字量輸出等主要功能模塊[11]。

3.1系統(tǒng)緊急停車(chē)程序功能模塊

圖3為系統(tǒng)緊急停車(chē)程序功能模塊，主要程序段編寫(xiě)如下：

Pulse輸入r722.5

OFF1輸入r20189.0

OFF2輸入r722.5 and 1

系統(tǒng)停車(chē)是系統(tǒng)編程的關(guān)鍵，無(wú)論程序如何編寫(xiě)、邏輯如何設(shè)定，停車(chē)邏輯必須先設(shè)定好，原因是無(wú)論發(fā)生任何狀況，都可以通過(guò)停車(chē)程序來(lái)停止電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，防止危險(xiǎn)狀況的發(fā)生。

圖3 系統(tǒng)緊急停車(chē)程序功能模塊

3.2專(zhuān)家列表

圖4為STARTER軟件的專(zhuān)家列表，此列表內(nèi)包含了所有的參數(shù)地址。參數(shù)的編號(hào)由4個(gè)或5個(gè)數(shù)字組成。以“r”開(kāi)頭的參數(shù)是寫(xiě)保護(hù)參數(shù)，只用于顯示某個(gè)數(shù)值，而無(wú)法通過(guò)它寫(xiě)入另一個(gè)數(shù)值。以“p”開(kāi)頭的參數(shù)值可直接修改，值為第一行中“最大”和“最小”范圍內(nèi)的值，如果該值有物理單位，方括號(hào)里會(huì)給出。

變頻器的程序編制需要首先匹配電機(jī)，設(shè)置電機(jī)參數(shù)。在專(zhuān)家列表里需要對(duì)p300開(kāi)始的電機(jī)基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，本項(xiàng)目采用的主要程序段編制如下：

圖4 STARTER軟件專(zhuān)家列表

p300選擇Induction motor(rotating)

p304輸入400Vrms，p305輸入57Arms

p306輸入1，p307輸入30kW

p310輸入50Hz，p311輸入1472rpm

專(zhuān)家列表除了可以進(jìn)行基本參數(shù)的設(shè)置，還可用于其他功能圖模塊無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜邏輯功能的程序編制。例如本項(xiàng)目中用于主電機(jī)和軸流電機(jī)的同步邏輯，主電機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，延時(shí)10s，查看軸流風(fēng)機(jī)狀態(tài)，如果狀態(tài)為1(運(yùn)行)則主電機(jī)不停，如果狀態(tài)為0(停止)則主電機(jī)停止。主要程序段編制如下：

P20158輸入r20063//異或門(mén)輸出

P20159輸入10000ms//延時(shí)10s

P20161輸入5//PDF0功能塊使能

P20046.2輸入r20160.0//或門(mén)輸入

P20062.0輸入R52.2//主電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

P20062.1輸入R722.0//軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

P20064輸入5//功能塊使能

3.3模擬量輸入輸出程序功能模塊

圖5、6分別為模擬量輸入、輸出程序功能模塊，該項(xiàng)目中主要是現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程調(diào)頻。

圖5 模擬量輸入功能模塊

圖6 模擬量輸出功能模塊

3.4數(shù)字量輸入程序功能模塊

圖7為數(shù)字量輸入程序功能模塊，該項(xiàng)目主要就是實(shí)現(xiàn)變頻器的啟動(dòng)、停止、復(fù)位及使能等功能。主要程序段編制如下：

DI0輸入p20062.1

DI1輸入p20188.0

DI2輸入p20046.1

DI3輸入p2104.0

DI4輸入p844.0

DI5輸入p852.0

圖7 數(shù)字量輸入功能模塊

3.5數(shù)字量輸出程序功能模塊

圖8為數(shù)字量輸出程序功能模塊，該項(xiàng)目主要是實(shí)現(xiàn)變頻器、軸流風(fēng)扇及散熱風(fēng)扇等的啟動(dòng)、停止及報(bào)警等指示和控制功能。主要程序段編制如下：

Relay output0輸入r52.3

Relay output1輸入r52.2

Relay output2輸入r52.1

圖8 數(shù)字量輸出功能模塊

4 結(jié)束語(yǔ)

變頻式甲醇注入橇在某海洋石油平臺(tái)投入使用后，運(yùn)行良好。用戶反饋良好，電能損耗大幅降低，經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。該變頻式甲醇注入橇是針對(duì)海洋石油平臺(tái)自身需求特點(diǎn)，自主研發(fā)的專(zhuān)用高效節(jié)能化學(xué)藥劑注入裝置。變頻器在甲醇注入系統(tǒng)中的應(yīng)用，既節(jié)約了成本又方便了計(jì)量，為所在油田有效利用天然氣資源、提高油田采收率、控制油田操作成本及清潔生產(chǎn)等方面作出了一定的貢獻(xiàn)。

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(Continued on Page 784)

ApplicationofFrequencyConverterinMethanolInjectionSystemofOffshoreOilPlatform

YU Xiang-chun, GUAN Jing-min, WEI Peng-fei, GAO Ke, ZHANG Wei-wei

(CNOOCOffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

2016-04-26(修改稿)

TH862+.6

B

1000-3932(2016)07-0732-05