喇嘛甸油田地面系統(tǒng)變頻裝置優(yōu)化可行性研究應(yīng)用分析

于艷暉

（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

1 現(xiàn)狀

1.1 變頻裝置使用現(xiàn)狀

通過對作業(yè)區(qū)調(diào)查，某廠站庫內(nèi)變頻裝置共1 549 臺(tái)。不在用268 臺(tái)(其中不同程度損壞63 臺(tái)，控制面板損壞8 臺(tái)，變頻器損壞22 臺(tái)，風(fēng)扇損壞21臺(tái)，繼電器損壞6 臺(tái)，無外殼或外殼損壞4 臺(tái)，控制線路不明情況損壞9 臺(tái)）。對損壞部位和損壞情況分析研究重新組裝，實(shí)現(xiàn)了新增可用變頻裝置26 臺(tái)。

調(diào)查第一、第六作業(yè)區(qū)變頻裝置共計(jì)32 臺(tái)、調(diào)查第二作業(yè)區(qū)變頻裝置15 臺(tái)、第三、第五作業(yè)區(qū)大站變頻裝置共計(jì)38 臺(tái)、第四作業(yè)區(qū)變頻裝置38 臺(tái)、第七作業(yè)區(qū)在用變頻裝置共計(jì)1 426 臺(tái)，其中110～75 kW 82 臺(tái)、55 kW 以下1 344 臺(tái)、備用變頻器262 臺(tái)。

1.2 變頻裝置的結(jié)構(gòu)以及原理

變頻裝置一般由變頻柜、變頻器、隔離開關(guān)、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(fù)載輸送電能時(shí)電流所經(jīng)過的電路，即一次電路是直接與交流電網(wǎng)電源連接的電路。由一次設(shè)備相互連接，構(gòu)成發(fā)電、輸電、配電或進(jìn)行其他控制的電氣回路，稱為一次回路或一次接線系統(tǒng)。一次電路一般工作于高電壓、大電流工作狀態(tài)，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(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)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(jìn)行控制、保護(hù)、監(jiān)視、測量的電路。二次電路中的各種設(shè)備稱為二次設(shè)備，它們包括各種控制開關(guān)（如按鈕等）、繼電器、接觸器的線圈和輔助觸點(diǎn)、信號(hào)燈、測量儀表、PLC等。由二次設(shè)備互相連接，構(gòu)成對一次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測、控制、調(diào)節(jié)和保護(hù)的電氣回路稱為二次回路或二次接線，包括控制系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、繼電保護(hù)和自動(dòng)化系統(tǒng)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(chǎn)能變化，部分機(jī)泵調(diào)整，變頻裝置與電動(dòng)機(jī)不匹配，出現(xiàn)“小馬拉大車”現(xiàn)象，導(dǎo)致變頻裝置高負(fù)荷運(yùn)行，增加電能損耗，減少了電氣設(shè)備的使用壽命。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際機(jī)泵大小調(diào)配現(xiàn)有完好變頻裝置，合理的加裝更換變頻以達(dá)到利舊、節(jié)能、增效的目的。

2.1 變頻裝置利舊標(biāo)準(zhǔn)分析

在實(shí)際的變頻裝置利舊應(yīng)用中，變頻裝置的選取和改造也至關(guān)重要，對于實(shí)際設(shè)備發(fā)揮節(jié)能作用有著重要影響。對此，為了更好的提高各類泵機(jī)組的節(jié)能效果，根據(jù)實(shí)際情況選用更好的利舊變頻器使用方案也很關(guān)鍵。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該充分考慮到泵站的場地環(huán)境，對于占地面積較小的輸油泵站，可以將組合串聯(lián)的變頻調(diào)速器加以應(yīng)用，強(qiáng)化輸油泵機(jī)組的節(jié)能效果。與此同時(shí)，針對項(xiàng)目投資較少而且資金回收期短的項(xiàng)目，相關(guān)管理人員可以選擇串級(jí)調(diào)速設(shè)備，此類設(shè)備的資金投入相對較小，有利于實(shí)現(xiàn)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(tǒng)計(jì)。更換運(yùn)行狀況不好（風(fēng)扇損壞，控制面板損壞，超低頻運(yùn)行，徹底損壞）的變頻裝置根據(jù)實(shí)際情況，改修為換。同時(shí)，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(chǎn)效率，降低維修成本[6-8]。

以下為更換試驗(yàn)過程中形成的標(biāo)準(zhǔn)更換流程：配電室找到故障變頻器對應(yīng)配電抽屜柜，并斷電；現(xiàn)場變頻柜進(jìn)行驗(yàn)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(fù)控制線，恢復(fù)主線；送電，根據(jù)電動(dòng)機(jī)型號(hào)調(diào)整變頻參數(shù)，點(diǎn)動(dòng)確定電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)；啟動(dòng)變頻裝置，恢復(fù)正常工作。

2.3 變頻裝置運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)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(huán)控制，即人工控制變頻器的頻率，崗位員工根據(jù)現(xiàn)場工作要求實(shí)時(shí)對變頻器頻率調(diào)整，而相對變頻器所帶動(dòng)的設(shè)備而言，是依靠變頻器本身的檢測模塊對設(shè)備進(jìn)行過電流、過電壓保護(hù)，這種控制方式多用于抽油機(jī)、螺桿泵井等單機(jī)設(shè)備。第二種為閉環(huán)控制，配置、注聚、轉(zhuǎn)油放水、聯(lián)合站等多采用此種控制方式，這種控制方式主要特點(diǎn)是保護(hù)多，將設(shè)備的各種保護(hù)裝置的信號(hào)（即一次表）接入變頻器，如：壓力、溫度、流量、液位信號(hào)等，根據(jù)現(xiàn)場的工況控制要求，使變頻器始終在允許的范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率，優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)調(diào)節(jié)精準(zhǔn)高、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)是當(dāng)一次表出現(xiàn)故障后，會(huì)導(dǎo)致變頻器停機(jī)，對維修人員的專業(yè)水平有一定要求，需要在此類控制裝置上再加裝一套手動(dòng)運(yùn)行控制電路，以便于手/自動(dòng)切換變頻器的運(yùn)行。根據(jù)變頻裝置在不同的應(yīng)用場所，控制要求，其內(nèi)部參數(shù)設(shè)置要有相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)[9-10]。電量對比試驗(yàn)根據(jù)閉環(huán)控制方式進(jìn)行加裝變頻裝置試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4 變頻裝置利舊標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)

目前，根據(jù)現(xiàn)場更換實(shí)際情況，做出以下總結(jié)：

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

2）風(fēng)扇損壞導(dǎo)致變頻器過熱保護(hù)的故障是導(dǎo)致變頻裝置偷停，但是更換風(fēng)扇需要將變頻器全面拆解更換難度大，不如直接更換一臺(tái)閑置的變頻器，使生產(chǎn)可以連續(xù)運(yùn)行。

3）在40 Hz 以上運(yùn)行的變頻器可以用更高一級(jí)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(jù)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(fēng)扇、升壓電容、啟動(dòng)保險(xiǎn)電阻等，這些元器件的采購價(jià)格非常便宜，還有一部分故障是由變頻器控制柜內(nèi)其它控制元器件損壞所引起的，因電氣元件常年處于運(yùn)行狀態(tài)，它具有使用壽命，這種情況下引起的變頻器不啟動(dòng)故障占有一定比例。

3 閑置變頻裝置運(yùn)行優(yōu)化研究

3.1 變頻裝置運(yùn)行參數(shù)分析及調(diào)節(jié)現(xiàn)場試驗(yàn)

運(yùn)行參數(shù)包括啟動(dòng)時(shí)間、制動(dòng)時(shí)間、啟動(dòng)頻率、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、變頻器載波頻率、變頻器運(yùn)行頻率。變頻器運(yùn)行頻率的設(shè)定，需要看現(xiàn)場時(shí)候有自動(dòng)控制裝置。如果有，要進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)設(shè)置。而具體的設(shè)置則需要用試驗(yàn)進(jìn)行分析驗(yàn)證。

啟動(dòng)時(shí)間、制動(dòng)時(shí)間、啟動(dòng)頻率、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、變頻器載波頻率，要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況設(shè)定，以減少對電動(dòng)機(jī)的損壞，有效降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的溫度，增加利舊變頻器的使用年限。

3.1.1 試驗(yàn)?zāi)康募八悸?/p>

為了讓利舊變頻器可以盡可能在最佳效果運(yùn)行，對安裝后變頻運(yùn)行區(qū)間優(yōu)化試驗(yàn)轉(zhuǎn)油站做了小型試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)取得了一定的成果。通過170 轉(zhuǎn)油放水站的了解，170 站內(nèi)溫度高，需要對變頻器散熱進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，選用更大的變頻柜與風(fēng)扇，通過對控制回路的改造，與170 站的流量計(jì)進(jìn)行連接，使其可以進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。為了降低污水泵耗電量，全自動(dòng)變頻運(yùn)行改為手動(dòng)定頻運(yùn)行，但手動(dòng)定頻運(yùn)行員工勞動(dòng)強(qiáng)度增加，為了找到在平穩(wěn)生產(chǎn)期間污水泵合理的全自動(dòng)運(yùn)行頻率區(qū)間，開展污水泵變頻運(yùn)行區(qū)間優(yōu)化試驗(yàn)。

3.1.2 試驗(yàn)方案

第一階段全自動(dòng)原始頻率范圍運(yùn)行狀態(tài)階段，2021 年5 月17 日下午2 點(diǎn)至5 月18 日下午2 點(diǎn)。污水泵變頻全自動(dòng)運(yùn)行，運(yùn)行頻率范圍5～50 Hz，頻率變化幅度45 Hz，站內(nèi)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(dòng)定頻運(yùn)行階段，2021 年5 月18 日下午2 點(diǎn)至5 月19 日下午2點(diǎn)。污水泵手動(dòng)定頻運(yùn)行，根據(jù)來液變化情況，小隊(duì)自行設(shè)定手動(dòng)運(yùn)行頻率。站內(nèi)值班人員記錄每一次調(diào)整頻率的時(shí)間、頻率、污水泵瞬時(shí)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(dòng)運(yùn)行頻率變化幅度為25 Hz 階段，變頻器運(yùn)行平穩(wěn)。

3.1.3 試驗(yàn)效果分析

試驗(yàn)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(wěn)。PLC 變頻控制的參數(shù)設(shè)定如果整定比例的系數(shù)控制過小，就會(huì)使系統(tǒng)的輸出量變化相對平緩，調(diào)節(jié)時(shí)間會(huì)大大延長。如果比例的系數(shù)控制過大，就會(huì)使系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)輸出量達(dá)到峰值，從而超過調(diào)節(jié)能夠承受的上限，讓超調(diào)量提高，造成超過范圍的動(dòng)態(tài)變化，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)難以控制的情況。具體操作應(yīng)該由將比例系數(shù)調(diào)整到原比例系數(shù)的50%～80%，再由積分得出一個(gè)較大的時(shí)間數(shù)值設(shè)定，觀察響應(yīng)曲線的變化幅度。接著降低積分時(shí)間，提高積分效果，同時(shí)對比例系數(shù)做出調(diào)整。經(jīng)過不斷的調(diào)整后，得到一個(gè)與實(shí)際情況相符的響應(yīng)效果，從而判斷出比例參數(shù)及其積分參數(shù)，并將其進(jìn)行記錄。設(shè)定積分參數(shù)時(shí)，應(yīng)該按照公式：

式中：KP為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間；TD為微分時(shí)間。將TD設(shè)定為0，逐步提高微分時(shí)間，并根據(jù)微分時(shí)間的變化，對于比例系數(shù)KP與積分之間TI做出相應(yīng)的改變，直到得出一個(gè)較為符合實(shí)際情況的調(diào)節(jié)效果以及較為合理的PID 調(diào)節(jié)參數(shù)。為了能夠讓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可以得到更好的相應(yīng)，需要對比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)以及微分環(huán)節(jié)全部投入進(jìn)行測試使用。利用數(shù)次參數(shù)設(shè)定對比，可知當(dāng)設(shè)定P為10，I為0.15，D為0.01 時(shí)，根據(jù)公式（1）可以得到一個(gè)相對來說較為合理的控制，穩(wěn)定后可以保持在每周期60 s 之內(nèi)。

3.1.4 運(yùn)用實(shí)例

6 座轉(zhuǎn)油站外輸油泵變頻參數(shù)及流量調(diào)查統(tǒng)計(jì)見表2，變頻高頻與低頻運(yùn)行切換跳換頻繁，超出流量計(jì)范圍問題，符合上述調(diào)參條件。變頻參數(shù)優(yōu)化情況見表3，優(yōu)化前后節(jié)電效果對比見表4。

表2 6 座轉(zhuǎn)油站外輸油泵變頻參數(shù)及流量調(diào)查統(tǒng)計(jì)

表3 變頻參數(shù)優(yōu)化情況

表4 優(yōu)化前后節(jié)電效果對比

節(jié)電效果對比出作業(yè)區(qū)的變頻裝置頻率運(yùn)行區(qū)間調(diào)整試驗(yàn)說明了合理的調(diào)節(jié)變頻裝置參數(shù)是可以達(dá)到節(jié)電目的。結(jié)合當(dāng)前各采油作業(yè)區(qū)的變頻器數(shù)量以及使用情況，如果進(jìn)行全面調(diào)節(jié)的話，節(jié)電量是非?？捎^的。

3.2 預(yù)期效果

經(jīng)濟(jì)效益：利舊安裝小變頻器安裝費(fèi)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(tái)最多節(jié)省投資4.7 萬元。增加一臺(tái)90 kW 變頻裝置，瞬時(shí)300 m2/h 的外輸泵上可節(jié)電0.01 kWh/m3、年耗電量節(jié)省約20%。

4 結(jié)論

建立全廠數(shù)據(jù)庫調(diào)查表，能夠根據(jù)運(yùn)行年限及運(yùn)行狀態(tài)，快速查詢到現(xiàn)場應(yīng)用情況，并能及時(shí)解決問題。通過試驗(yàn)證明形成PID 調(diào)節(jié)新理論，運(yùn)用該理論調(diào)節(jié)過的變頻裝置可單耗節(jié)電0.007～0.020 kWh/m3。降低了電動(dòng)機(jī)的溫度，還提高了流量計(jì)的精確度。合理調(diào)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(shè)備使用率20%以上，保證設(shè)備完好率100%。小功率變頻裝置的更換試驗(yàn)，在試驗(yàn)站后續(xù)運(yùn)行平穩(wěn)。同時(shí)形成了工藝標(biāo)準(zhǔn)和安裝指導(dǎo)書。更換利舊變頻裝置可以緩解變頻器維修的壓力。同時(shí)因?yàn)橹笇?dǎo)書的形成，節(jié)約更換時(shí)間。合理調(diào)配后可以減少新建變頻裝置，利舊變頻裝置每臺(tái)可降低成本88%，同時(shí)解決了變頻裝置損壞而影響第七作業(yè)區(qū)注入時(shí)率的問題。