精細化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)

摘? 要：本文首先對精細化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)進行簡單介紹;其次對精細化恒壓穩(wěn)流注水控制系統(tǒng)的原理、特點及技術(shù)作了簡述，說明了項目改造的先進性，簡要介紹系統(tǒng)類型及技術(shù)指標;最后以長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例，分析現(xiàn)場存在的問題，提出了改造思路，總結(jié)了現(xiàn)場安裝實際效果，介紹了控制系統(tǒng)運行節(jié)能效果等。

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

中圖分類號：TE357.6 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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

目前長慶油田各個采油廠注水系統(tǒng)主要是手動調(diào)整，變頻器運行頻率來實現(xiàn)注水量的控制，但地下環(huán)境變換及下游負荷變化造成注水壓力或流量波動起伏，劇烈頻繁的變化，不利于注水系統(tǒng)及管網(wǎng)安全可靠的運行;同時注水系統(tǒng)中系統(tǒng)壓力和流量是動態(tài)變化;人工操作不能及時準確地適應(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調(diào)節(jié)變頻器頻率，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，使注水壓力或流量保持穩(wěn)定，使注水系統(tǒng)精確細致可靠，同時減少人員勞動強度，減少因注水壓力和流量過高造成的浪費或過低引起的注水量不足，提高設(shè)備運行效率，減少設(shè)備損耗。

1? 精細化注水控制系統(tǒng)原理、特點及技術(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)速拖動技術(shù)，注水系統(tǒng)壓力由采油平臺員工根據(jù)注水井配注要求進行調(diào)整，注水站內(nèi)無法對泵壓和排量進行有效控制。而注水井單井配注量小，注水井由閥門控制調(diào)水，瞬時排量不易控制，各平臺單井調(diào)水頻繁導(dǎo)致注水壓力波動大，同時伴隨流量波動，難以達到平穩(wěn)注水。不僅造成注水能耗較高、員工勞動強度大且易發(fā)生注水井超注或欠注。針對劉峁塬采油作業(yè)區(qū)地質(zhì)特點對注水工藝進行改進，采用了精細化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)工藝技術(shù)，不僅達到了平穩(wěn)注水效果且有效降低了注水能耗和工人勞動強度，提高了生產(chǎn)管理水平。精細化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)工藝技術(shù)的特點是對注水泵的出口壓力或流量進行恒壓或穩(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

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。同時注水壓力波動起伏，使注水量跟蹤、監(jiān)控帶來障礙，不利于精細注水工作有效推進。這些特點在滿足自動控制的基本方式及自動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上[2]，配合專家PID控制原理[3]，依據(jù)電機交流變頻調(diào)速技術(shù)、改善工藝流程[4]，對于帶慣性負載系統(tǒng)的比例-加-微分控制[5]，更適合采用精細化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)，這將成為提高采油質(zhì)量、推動技術(shù)進步、實現(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)運動控制系統(tǒng)的基本原理、組成和設(shè)計方法[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（注水干線流量計自帶485通訊和4～20mA瞬時流量模擬量信號功能），在不影響目前scada系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集前提下，將壓力和流量信號通過RVVP電纜傳入自動控制柜中。將壓力信號和流量信號接入智能儀表，進行PID閉環(huán)控制[7]，經(jīng)過儀表PID運算后的模擬信號接入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，作為自動控制的頻率給定方式。當(dāng)一臺泵作為主泵運行時，另一臺根據(jù)主泵的運行頻率，通過PLC運算后使其達到最佳運行頻率。

手動運行維持現(xiàn)在的方式，自動運行下每臺泵可以獨立運行，也可啟動兩臺以上的注水泵后各泵運行頻率自動調(diào)節(jié);多臺泵設(shè)計轉(zhuǎn)換開關(guān)，可以相互切換作為主泵運行。

1.4 項目改造先進性

恒壓穩(wěn)流兼容模式，在自動運行模式下，優(yōu)先保證注水壓力，壓力在設(shè)定范圍內(nèi)運行，如果此時流量產(chǎn)生報警，超過設(shè)定的上限或下限，PLC通過對現(xiàn)場壓力和流量分析后，與設(shè)定壓力和流量的上下限對比，切換到恒流量模式控制;在恒流量運行模式下，如果壓力產(chǎn)生報警后，注水泵直接切換到壓力運行模式。由此保證注水工藝對壓力和流量的要求，達到精細化注水的要求。

多臺變頻器運行時，每臺泵頻率根據(jù)運行情況實時調(diào)整，使泵最優(yōu)化運行，主泵頻率由外部PID控制，輔助泵頻率通過PLC計算后相互配合運行，多個變頻器頻率可自動調(diào)節(jié)，各變頻器運行頻率相差在5Hz范圍之內(nèi)，避免一臺在高頻率運行，另一臺在低頻運行。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，無法達到設(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)壓力和流量信號實時調(diào)整。

停泵前扳動泄壓按鈕，注水泵頻率降到20Hz運行，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)生的潛在危險因素，提高設(shè)備和人員的安全，達到快速泄壓，安全泄壓，同時降低泄壓時設(shè)備的耗電量。

外部出現(xiàn)因管線原因泄漏，根據(jù)注水站標準化操作流程，不能帶壓力停泵，所以通過PLC對采集壓力進行對比，如果設(shè)備正常運行中，壓力波動超過3MPa，注水泵可在0.5s以內(nèi)響應(yīng)切換到20Hz運行，直到外部問題解決后，按動復(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。運行切換手動自動模式，考慮到停泵流程復(fù)雜，可在不停泵情況下實現(xiàn)一鍵無憂手動自動切換。

PLC控制技術(shù)的應(yīng)用結(jié)合變頻器與變頻控制[8]，自動變頻控制調(diào)速;注水泵精密機械結(jié)構(gòu)設(shè)計工藝流程及其與傳感器和控制系統(tǒng)集成，以達到系統(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)實現(xiàn)精細化恒壓穩(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

精細化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)人機交互界面可以是儀表、觸摸屏或者上位機;控制核心是PLC， PLC是將自動化技術(shù)與計算機技術(shù)進行融合，從而實現(xiàn)對于主要信息的存儲，并與相關(guān)接口建立相對應(yīng)的聯(lián)系，從而加強對于機械電氣設(shè)備的控制[10]。

精細化恒壓穩(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（標準配置、標準配置+觸摸屏、標準配置+觸摸屏+遠程監(jiān)控系統(tǒng)）共6個系列可供選擇，用戶可以根據(jù)實際需要靈活配置。手動控制運行和自動控制運行任意切換，互為備用，操作簡單方便，安全靈活，能夠達到無人值守控制運行效果，精度高，可靠性好，減少勞動強度和成本。

1.6 控制系統(tǒng)技術(shù)指標

（1）供電要求：控制電壓 AC220V/50Hz。

（2）控制泵數(shù)量：2～5臺注水泵。

（3）控制功能：具有手動、自動和恒壓穩(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)場安裝實際效果

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，瞬時流量2.8～4.2m3/h，目前注水流量主要是手動調(diào)整變頻器運行頻率來實現(xiàn)注水量的控制，注水不穩(wěn)定，效果不佳，不能滿足精細化管理需要。

采用精細化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)依據(jù)設(shè)定的出水壓力或出水流量自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，自動調(diào)節(jié)出水流量和壓力;確保注水壓力、流量的準確性，實現(xiàn)按需注水;同時減少人員勞動強度，減少因注水壓力、流量過高造成的浪費或過低引起的注水量不足，提高設(shè)備運行效率，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，1、2號為變頻控制，3號為軟啟動控制。站內(nèi)2臺變頻控制和1臺軟啟動控制的合理配比，可以通過自動控制改造即可實現(xiàn)瞬時流量在10.48～78.6m3/h的范圍內(nèi)無級設(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上的流量計自帶485通訊和4～20mA瞬時流量模擬量信號及匯管處壓力表帶4-20Ma壓力輸出模擬信號，在不影響目前scada系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集前提下，將壓力和流量信號通過RVVP電纜傳入自動控制柜中。將壓力信號和流量信號接入智能儀表做PID閉環(huán)控制[7]，經(jīng)過儀表PID運算后的模擬信號接入PLC模擬量接口。壓力信號接入到控制柜內(nèi)的隔離分配器，將信號分為兩路，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行，實現(xiàn)變頻器的自動控制[11]，做內(nèi)部各類保護和報警對比。經(jīng)過PLC編程處理后的數(shù)據(jù)接入1、2號變頻器中，作為自動控制是頻率給定方式。流量信號作為保護條件，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，流量如果不在設(shè)定范圍，將切換到恒流量模式運行，當(dāng)壓力下降到注水壓力下線立即切換到壓力控制。當(dāng)一臺泵作為主泵運行時，另一臺根據(jù)主泵的運行頻率，通過PLC運算后使其達到最佳運行控制效果。同時能夠?qū)崿F(xiàn)手動自動無憂切換控制運行。控制原理如圖1所示。

3? 項目運行及節(jié)能效果

精細化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)是油田各個采油廠開發(fā)應(yīng)用比較成熟、經(jīng)濟、具有潛力的技術(shù)，是油田采油廠實現(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)。精細化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)既是油田自動化開發(fā)水平的集中體現(xiàn)，又是未來持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，以精細化恒壓穩(wěn)流變頻注水控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過對注水站相關(guān)設(shè)備進行改造，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)，降低了人工勞動強度，簡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，自動化程度大大提高。

4? 結(jié)語

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

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