英威騰變頻器在油田輸油泵上的應用

　　摘要：本文主要介紹了英威騰Goodrive300開環矢量型變頻器在中國石油某分公司輸油泵上的應用，Goodrive300變頻器在其數字化輸油系統中發揮了重要的作用，其控制性能可靠，節能效率高。輸油泵的控制包括手動/自動切換控制，PLC控制系統與Goodrive300系列變頻器工變頻切換系統共同構成整個核心控制系統。本文以其中一臺15KW的Goodrive300變頻器為例分析其應用，并對英威騰Goodrive300開環矢量型通用變頻器在輸油泵上的應用提供推廣方案。
　　　　
　　一、引言
　　
　　中國石油某分公司是隸屬于中國石油天然氣股份有限公司（PetroChina）的地區性油田公司，工作區域在*二大盆地--鄂爾多斯盆地，橫跨陜、甘、寧、內蒙古、晉五?。▍^），勘探總面積37萬平方公里。該油田推行數字化管理，充分利用自動控制技術、計算機網絡技術、油藏管理技術、數據整合技術、數據共享與交換技術，提升工藝過程的監控水平，建立全油田統一的生產管理、綜合研究的數字化管理平臺，節約了人力資源和提高了效益。
　　
　　下圖為該公司采油廠其中一作業區增壓站的數字化管理流程圖。　　
　　目前隨著我國大部分油田原油含水率的不斷增加、產量的變化及外輸管道阻力的增大，油田用輸油泵普遍存在著低效、高能耗的問題。為解決這一問題，不少油田采用了電機變頻調速技術，由調整泵的電機轉速取代出口調節閥，降低泵出口的壓力損耗，取得了很好的節能效果。在油田增壓站數字化建設流程中，其要求根據緩沖罐液位來調節輸油泵的啟停和轉速，是實現輸油智能化的重要表現，輸油泵由異步電動機驅動，電機的控制就顯得尤為重要，英威騰Goodrive300變頻器不僅有很大的節能空間而且滿足了輸油工藝的智能調速要求。
　　
　　二、變頻輸油泵應用環境分析
　　
　　該公司采油廠其中一作業區所轄井場由于地處陜北延安山區，其井場并不集中，井場抽油機采集的油經過輸油管道匯入增壓站點，由增壓站點經過計量和除氣等必要的簡單處理，經輸油泵輸出至聯合站，然后至輸油處統一外輸調配。
　　
　　為實現數字化智能輸油和節約電能，油田井站提出變頻控制輸油的改造方案，要求可以實現據緩沖罐液位自動啟停輸油泵和調節輸油泵轉速，增壓站點有2臺輸油泵，一備一用，正常時要求變頻控制輸油泵且實現智能調節，當緩沖罐液位超高報警時將自動啟用備用輸油泵，整個輸油控制系統要求無人值守，如下圖。　　
　　井場站點提供380V/50HZ輸入交流電源，根據井場采液量不同，各增壓站點的輸油泵配備的異步電動機功率也有所不同，從11KW到45KW不等，這就使得各站點要求的變頻裝置將有柜體尺寸和變頻器型號的區別。經現場勘查，英威騰Goodrive300系列變頻器可滿足其要求，本文以11KW輸油泵為例分析，下圖為離心式輸油泵結構示意圖。
　　三、使用變頻調速節能分析
　　
　　輸油泵電機運轉時，流量與轉速成正比，隨著油泵電機電機轉速的變化，流量也隨之變化，所以通過變頻器控制，使油泵電機電機的轉速、油泵電機的流量和壓力可調，以此來達到現有的生產工藝要求。變頻運行時的電機轉速發生變化，電機負載電流也隨著變化。當然電機轉速的降低使變頻輸出電壓也隨之降低，油泵電機的負荷電流也隨之降低。
　　
　　當泵和電機已經確定，系統的能量利用率首先與泵的剩余揚程有關，其次是泵的運行狀態（是否在高區）。變頻調速就是從這兩個方面來提高能量利用率，從而達到節能目的。理論上，通過適當調節可使剩余揚程為零，并使泵在區工作。對剩余揚程較高的系統，其節能效果是十分顯著的。
　　
　　采用變頻調速技術，則可調節泵的轉速，使泵的特性曲線由1下移至2（如上圖）[1]，管道系統新的工作點為C點，泵的出口揚程與管路總壓降相等，沒有剩余揚程，不存在節流損失，因而能量利用率較高。根據相似原理，調速后泵的效率近似相等，可保證泵在區工作，因此節能效益十分可觀。
　　
　　四、變頻柜設計方案
　　
　　根據英威騰多年的產品經驗以及現場原有裝備和要求，zui終確定對控制變頻柜提出工變頻改造方案?，F場輸油泵的電機參數見下表：
　　　　變頻器與工變頻電路安裝在變頻柜中，本地工變頻切換在變頻柜門上進行，工頻本地啟動和停止也設計在柜門上，變頻啟動和停止的本地直接用鍵盤操作，并預留有泵房直接啟停的線路接口，其主安裝后變頻柜的結構如下所示。變頻柜設計的電路如下所示。　　
　　變頻器I/O控制接線未啟用，只需提供給PLC一個故障信號，變頻器功能碼采用V4.19版本。變頻器與西門子PC機通過RS485進行通訊，并且整個增壓站中配置西門子PLC作為智能控制主站，監控室可通過PC機的操作界面來手動遠程的啟停輸油泵并控制其轉速。西門子的PLC模塊采集緩沖罐液面數據用于自動控制輸油泵的啟停，當液面超高報警時，備用泵將自動開啟，變頻輸油泵也變頻運行，實現無人值守。
　　
　　本方案變頻器采用的主要控制方式是RS485遠程通訊控制方式，在各增壓點的配電控制室中，不僅僅有輸油泵變頻控制柜，有的還有注水泵變頻控制柜，而且往往功率較輸油泵大，在配電控制室中還有PLC控制柜，整個配電控制室一般只有8~12平方左右，所以，我們的變頻控制柜工作在有電磁干擾的環境中，其EMC要求要注意2方面，即干擾和抗干擾。由于只是一般的輻射干擾較多，變頻器采用帶屏蔽的雙絞線作為RS485通訊線即可，其他要求嚴格的控制線（如注水泵通訊線）也應采用帶屏蔽的雙絞線，現場運行表明是可靠的。
　　
　　使用變頻調速輸油，在工藝及控制技術上實現了兩大突破：一是將緩沖罐液位分段，在不同液位段泵運行頻率不同，進而更、有效地控制混輸泵的運行；二是充分考慮冬季輸油混輸泵運行特點及當前輸油量，設定啟泵、停泵液位，使停泵時間不超過1小時，對泵自身是一種保護，又不會使下游管線中油水混合物因長時間不流動而凍結。
　　
　　五、運行效果分析
　　
　　隨著該油田數字化建設工程的推進，目前，采油廠基本實現了增壓點數字化管理，而所有的輸油泵都已實現工變頻運行。經過長時間的現場運行，變頻調速的優勢凸顯：
　　
　?。?）實施變頻調速的增壓站外輸單耗比無變頻增壓站單耗低40%，節電效果較好。
　　
　?。?）輸油泵匹配越差即增壓站的負荷率越低，變頻改造后的節電效果越好。增壓站外輸泵負荷率高于85%時,節電效果明顯降低。
　　
　?。?）沿程摩阻相近的條件下,變頻自動運行低于手動運行外輸油單耗。統計結果表明，自動變頻運行增壓站的外輸單耗要低于手動變頻運行的增壓站外輸單耗。分析認為，變頻自動運行時，電機的轉速根據液位自動調整，能夠保證外輸能力與需求時時匹配；而變頻開環運行時，電機的轉速需要崗位工人根據液位手動調節，如果增壓站的外輸液量不穩定，工人調整遠不如設備自動調整,這樣勢必造成外輸單耗的升高。
　　
　　六、結束語
　　
　　通過長時間的運行觀察和一線員工的反饋，無人操作自動變頻連續輸油運行可靠，*增壓點生產工程流程要求，杜絕了人工操作易造成緩沖罐溢罐等事故發生，提高了生產安全、減輕了人工勞動強度，并且輸油泵整體節能達20%以上，受到一線操作人員及采油作業區好評。輸油泵工變頻自動控制方案現已廣泛應用于整個油田各增壓點，英威騰Goodrive300開環矢量型通用變頻器可靠性高，功能豐富，已在油田增壓點大量長期運行。