变频器在海洋石油平台甲醇注入系统中的应用

2016-11-22于祥春关敬民魏鹏飞张维维

化工自动化及仪表 2016年7期

关键词：轴流功能模块水合物

于祥春关敬民魏鹏飞高珂张维维

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

变频器在海洋石油平台甲醇注入系统中的应用

于祥春关敬民魏鹏飞高珂张维维

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

介绍了变频器在海洋石油平台甲醇注入系统中的应用。主要阐述了甲醇注入系统的工作原理、变频器的硬件配置和软件编程。

变频器海洋石油平台闭环控制甲醇注入节能

在海洋石油平台采气生产过程中，低温高压的工艺条件使井口和管线内生成天然气水合物。天然气一旦形成水合物，易造成阀门、管线低洼地带及管线弯头等处堵塞，严重影响天然气的集输和正常生产[1～3]。为了防止水合物的生成，天然气生产过程中通常向管道中注入甲醇。预防水合物生成的效果取决于注入甲醇的位置和甲醇在管线中同气液流的均匀接触。甲醇应在生成水合物的位置之前加入，具体应根据输气管线中的压力和温度分布进行确定，在气体被水饱和的条件下，水合物可能在低于水合物生成温度的任何一点形成[4～6]。

以往，海洋石油平台采气生产多采用直接泵入式注醇方式来预防水合物的生成。这种方式无法平滑地调节注入量，甲醇在管线中同气液流不能均匀接触，计量也比较粗放，造成大量的浪费[7～9]。本项目首次将变频器应用到甲醇注入系统中，利用变频器调节注入量，并结合温度、压力等参数的检测实现闭环控制。这种闭环的变频注入方式，既可以根据实际情况随时平滑地调节注入量，也可很方便地实现精细化计量，节约能源，有效防止水合物的生成，提高油田采收率。

1 甲醇注入工作原理简介①

甲醇注入橇系统的工艺流程如图1所示。甲醇注入橇主要由甲醇储存罐、注入泵、进出口过滤器、变频器及控制阀等组成。系统中的两台甲醇储存罐和两台注入泵各自互为备用，因此变频器也是互为备用。储罐顶部设有氮封，压力范围1～6kPa，自动调节，保证设备的安全。根据海管的温度和压力参数，通过变频器平滑地调节注入泵的流量，从而调节甲醇的注入量。

图1 甲醇注入橇系统的工艺流程

2 变频控制系统硬件设计

变频控制电气系统的接线如图2所示，两路三相380V(AC) 50Hz电源通过主接线端子引入，经过断路器和熔断器到达变频器主电路进线口，变频器主电路出线口即连接电机。该系统采用两套变频器，互为备用。控制系统电源通过万能转换开关分别从两路主电源入口取得电能。控制系统回路增设变压器，变换出220V(AC) 50Hz供给两个空间加热器和两个风扇使用，24V(DC)供给变频器控制回路使用。

图2 变频控制电气系统接线示意图

控制系统采用西门子G120系列变频器，具体配置如下：

a. 两套控制单元CU240E-2 DP，型号6SL3244-0BB12-1PA1；

b. 两块MMC存储卡，型号6SL3254-0AM00-0AA0；

c. 两块PM240功率模块，型号6SL3224-0BE33-0UA0；

d. 两块基本操作面板BOP-2，型号6SL3255-0AA00-4CA1。

SINAMICS G120系列变频器为交流电机提供经济的高精度的速度/转矩控制。按照尺寸的不同(外形尺寸FSA～FSGX)功率范围覆盖0.37～250.00kW，广泛适用于变频驱动的应用场合。功率模块由控制单元里的微处理器控制。采用的高性能IGBT电机电压脉宽调制技术和可选择脉冲频率，使得电机运行极为灵活可靠。多方面的保护功能也为电机提供了更高一级的保护。

各控制模块之间的通信采用Profibus-DP网络,它具有高速、低成本的特点，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。它与Profibus-PA(Process Automation)、Profibus-FMS(Fieldbus Message Specification)共同组成了Profibus标准。Profibus-DP用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，Profibus-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以实现组态、诊断和报警功能[10，11]。

3 变频系统程序设计

西门子G120系列变频器编程调试有两种方式：使用操作面板BOP-2编程调试和采用STARTER软件编程调试。操作面板BOP-2编程方式为按键式输入编程，速度太慢。STARTER软件编程利用个人计算机进行编程，编程速度较快，本项目即采用STARTER软件编程调试方式。

变频系统控制程序主要实现的功能有系统紧急停车、手动式变频调速、自动式变频调速、主电机和轴流风扇同步控制、故障报警及故障报警复位等。下面就简单介绍系统紧急停车、专家列表、模拟量输入、模拟量输出、数字量输入及数字量输出等主要功能模块[11]。

3.1系统紧急停车程序功能模块

图3为系统紧急停车程序功能模块，主要程序段编写如下：

Pulse输入r722.5

OFF1输入r20189.0

OFF2输入r722.5 and 1

系统停车是系统编程的关键，无论程序如何编写、逻辑如何设定，停车逻辑必须先设定好，原因是无论发生任何状况，都可以通过停车程序来停止电机的转动，防止危险状况的发生。

图3 系统紧急停车程序功能模块

3.2专家列表

图4为STARTER软件的专家列表，此列表内包含了所有的参数地址。参数的编号由4个或5个数字组成。以“r”开头的参数是写保护参数，只用于显示某个数值，而无法通过它写入另一个数值。以“p”开头的参数值可直接修改，值为第一行中“最大”和“最小”范围内的值，如果该值有物理单位，方括号里会给出。

变频器的程序编制需要首先匹配电机，设置电机参数。在专家列表里需要对p300开始的电机基本参数进行设置，本项目采用的主要程序段编制如下：

图4 STARTER软件专家列表

p300选择Induction motor(rotating)

p304输入400Vrms，p305输入57Arms

p306输入1，p307输入30kW

p310输入50Hz，p311输入1472rpm

专家列表除了可以进行基本参数的设置，还可用于其他功能图模块无法实现的复杂逻辑功能的程序编制。例如本项目中用于主电机和轴流电机的同步逻辑，主电机和轴流风机同时启动，延时10s，查看轴流风机状态，如果状态为1(运行)则主电机不停，如果状态为0(停止)则主电机停止。主要程序段编制如下：

P20158输入r20063//异或门输出

P20159输入10000ms//延时10s

P20161输入5//PDF0功能块使能

P20046.2输入r20160.0//或门输入

P20062.0输入R52.2//主电机运行状态

P20062.1输入R722.0//轴流风机运行状态

P20064输入5//功能块使能

3.3模拟量输入输出程序功能模块

图5、6分别为模拟量输入、输出程序功能模块，该项目中主要是现场和远程调频。

图5 模拟量输入功能模块

图6 模拟量输出功能模块

3.4数字量输入程序功能模块

图7为数字量输入程序功能模块，该项目主要就是实现变频器的启动、停止、复位及使能等功能。主要程序段编制如下：

DI0输入p20062.1

DI1输入p20188.0

DI2输入p20046.1

DI3输入p2104.0

DI4输入p844.0

DI5输入p852.0

图7 数字量输入功能模块

3.5数字量输出程序功能模块

图8为数字量输出程序功能模块，该项目主要是实现变频器、轴流风扇及散热风扇等的启动、停止及报警等指示和控制功能。主要程序段编制如下：

Relay output0输入r52.3

Relay output1输入r52.2

Relay output2输入r52.1

图8 数字量输出功能模块

4 结束语

变频式甲醇注入橇在某海洋石油平台投入使用后，运行良好。用户反馈良好，电能损耗大幅降低，经济效益明显提高。该变频式甲醇注入橇是针对海洋石油平台自身需求特点，自主研发的专用高效节能化学药剂注入装置。变频器在甲醇注入系统中的应用，既节约了成本又方便了计量，为所在油田有效利用天然气资源、提高油田采收率、控制油田操作成本及清洁生产等方面作出了一定的贡献。

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