精细化恒压稳流变频注水控制系统

2021-07-28孙润喜

科技创新导报 2021年7期

摘要：本文首先对精细化恒压稳流变频注水控制系统进行简单介绍;其次对精细化恒压稳流注水控制系统的原理、特点及技术作了简述，说明了项目改造的先进性，简要介绍系统类型及技术指标;最后以长庆油田第九采油厂刘峁塬作业区姬二十三注水站为实例，分析现场存在的问题，提出了改造思路，总结了现场安装实际效果，介绍了控制系统运行节能效果等。

关键词：精细化恒压稳流变频控制系统 PID控制

中图分类号：TE357.6 文献标识码：A 文章编号：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

目前長庆油田各个采油厂注水系统主要是手动调整，变频器运行频率来实现注水量的控制，但地下环境变换及下游负荷变化造成注水压力或流量波动起伏，剧烈频繁的变化，不利于注水系统及管网安全可靠的运行;同时注水系统中系统压力和流量是动态变化;人工操作不能及时准确地适应和调整，造成系统压力和流量不能满足需要。

采用精细化恒压稳流变频注水控制系统，可以根据设定的出水压力或出水流量自动调节变频器频率，实现动态调节电机转速，使注水压力或流量保持稳定，使注水系统精确细致可靠，同时减少人员劳动强度，减少因注水压力和流量过高造成的浪费或过低引起的注水量不足，提高设备运行效率，减少设备损耗。

1 精细化注水控制系统原理、特点及技术说明

1.1 控制系统原理

注水工艺是采用柱水泵[1]配合转速变频[1]调速拖动技术，注水系统压力由采油平台员工根据注水井配注要求进行调整，注水站内无法对泵压和排量进行有效控制。而注水井单井配注量小，注水井由阀门控制调水，瞬时排量不易控制，各平台单井调水频繁导致注水压力波动大，同时伴随流量波动，难以达到平稳注水。不仅造成注水能耗较高、员工劳动强度大且易发生注水井超注或欠注。针对刘峁塬采油作业区地质特点对注水工艺进行改进，采用了精细化恒压稳流变频注水控制系统工艺技术，不仅达到了平稳注水效果且有效降低了注水能耗和工人劳动强度，提高了生产管理水平。精细化恒压稳流变频注水控制系统工艺技术的特点是对注水泵的出口压力或流量进行恒压或稳流控制，使注水泵的出口压力或流量保持稳定。从而使注水管网[1]的压力或流量不受单井调水的影响。只要合理确定注水泵的出口压力和注水井的注水流量就可保证注水过程的平稳和注水作业的质量。

1.2 控制系统特点

随着油田采油区油井的注水系统的开发，不断提高产液量，以液保油，这是油田注水开采保证原油稳产的必要趋势。同时注水压力波动起伏，使注水量跟踪、监控带来障碍，不利于精细注水工作有效推进。这些特点在满足自动控制的基本方式及自动控制系统的基础上[2]，配合专家PID控制原理[3]，依据电机交流变频调速技术、改善工艺流程[4]，对于带惯性负载系统的比例-加-微分控制[5]，更适合采用精细化恒压稳流变频注水控制系统，这将成为提高采油质量、推动技术进步、实现无人控制和改善环境节约能源的主要手段。

1.3 控制系统技术说明

依据运动控制系统的基本原理、组成和设计方法[6]，应用闭环调速系统与调速控制器技术[6]，采集汇管上压力表和流量表自带4-20Ma的输出模拟信号（注水干线流量计自带485通讯和4～20mA瞬时流量模拟量信号功能），在不影响目前scada系统的数据采集前提下，将压力和流量信号通过RVVP电缆传入自动控制柜中。将压力信号和流量信号接入智能仪表，进行PID闭环控制[7]，经过仪表PID运算后的模拟信号接入PLC模拟量接口。经过PLC编程处理后的数据接入各变频器中，作为自动控制的频率给定方式。当一台泵作为主泵运行时，另一台根据主泵的运行频率，通过PLC运算后使其达到最佳运行频率。

手动运行维持现在的方式，自动运行下每台泵可以独立运行，也可启动两台以上的注水泵后各泵运行频率自动调节;多台泵设计转换开关，可以相互切换作为主泵运行。

1.4 项目改造先进性

恒压稳流兼容模式，在自动运行模式下，优先保证注水压力，压力在设定范围内运行，如果此时流量产生报警，超过设定的上限或下限，PLC通过对现场压力和流量分析后，与设定压力和流量的上下限对比，切换到恒流量模式控制;在恒流量运行模式下，如果压力产生报警后，注水泵直接切换到压力运行模式。由此保证注水工艺对压力和流量的要求，达到精细化注水的要求。

多台变频器运行时，每台泵频率根据运行情况实时调整，使泵最优化运行，主泵频率由外部PID控制，辅助泵频率通过PLC计算后相互配合运行，多个变频器频率可自动调节，各变频器运行频率相差在5Hz范围之内，避免一台在高频率运行，另一台在低频运行。避免传统控制中，PID控制主泵频率，辅助泵靠人工调节，压力或流量变大时，无法达到设定值。恒压稳流注水，压力流量稳定，变频器频率根据压力和流量信号实时调整。

停泵前扳动泄压按钮，注水泵频率降到20Hz运行，管线压力快速下降后，人工开始打开回流阀门，降低高压通过回流阀门泄压而产生的潜在危险因素，提高设备和人员的安全，达到快速泄压，安全泄压，同时降低泄压时设备的耗电量。

外部出现因管线原因泄漏，根据注水站标准化操作流程，不能带压力停泵，所以通过PLC对采集压力进行对比，如果设备正常运行中，压力波动超过3MPa，注水泵可在0.5s以内响应切换到20Hz运行，直到外部问题解决后，按动复位按钮后恢复恒压稳流供水模式，降低外部出现管线泄漏造成的意外事故。运行切换手动自动模式，考虑到停泵流程复杂，可在不停泵情况下实现一键无忧手动自动切换。

PLC控制技术的应用结合变频器与变频控制[8]，自动变频控制调速;注水泵精密机械结构设计工艺流程及其与传感器和控制系统集成，以达到系统性能最佳[9]，保证压力或流量的稳定，采油厂高压注水系统实现精细化恒压稳流变频注水控制系统，优化了注水工艺，最大限度发挥注水生产能力，节能效果显著。

1.5 控制系统类型

精细化恒压稳流变频注水控制系统人机交互界面可以是仪表、触摸屏或者上位机;控制核心是PLC， PLC是将自动化技术与计算机技术进行融合，从而实现对于主要信息的存储，并与相关接口建立相对应的联系，从而加强对于机械电气设备的控制[10]。

精细化恒压稳流变频注水控制系统有两种系统类型（单系统和双系统）、三种产品规格（标准配置、标准配置+触摸屏、标准配置+触摸屏+远程监控系统）共6个系列可供选择，用户可以根据实际需要灵活配置。手动控制运行和自动控制运行任意切换，互为备用，操作简单方便，安全灵活，能够达到无人值守控制运行效果，精度高，可靠性好，减少劳动强度和成本。

1.6 控制系统技术指标

（1）供电要求：控制电压 AC220V/50Hz。

（2）控制泵数量：2～5台注水泵。

（3）控制功能：具有手动、自动和恒压稳流高精度控制功能。

（4）周围温度：-20℃至+55℃（不冻结）。

（5）周围湿度：80%以下（不淋露）。

（6）海拔高度：≤2000m。

2 现场安装实际效果

2.1 注水站现状及存在的问题

刘峁塬作业区姬二十三注水站主要承担刘九增和刘十二增的注水任务，对外注水干线江27-50和耿269两条，江27-50注水干线下配注总井数41口，开井39口，日配注712m3，瞬时流量26.6-32.2m3/h，耿269注水干线下配注总井数8口，开井7口，日配注112m3，瞬时流量2.8～4.2m3/h，目前注水流量主要是手动调整变频器运行频率来实现注水量的控制，注水不稳定，效果不佳，不能满足精细化管理需要。

采用精细化恒压稳流变频注水控制系统，可以实现依据设定的出水压力或出水流量自动调节电机转速，自动调节出水流量和压力;确保注水压力、流量的准确性，实现按需注水;同时减少人员劳动强度，减少因注水压力、流量过高造成的浪费或过低引起的注水量不足，提高设备运行效率，减少设备损耗。

2.2 改造思路

目前二十三注站内有220kW往复式柱塞泵3臺，1、2号为变频控制，3号为软启动控制。站内2台变频控制和1台软启动控制的合理配比，可以通过自动控制改造即可实现瞬时流量在10.48～78.6m3/h的范围内无级设定，保证日注水量在251.5～1886.4m3。控制系统采集注水干线江27-50上的流量计自带485通讯和4～20mA瞬时流量模拟量信号及汇管处压力表带4-20Ma压力输出模拟信号，在不影响目前scada系统的数据采集前提下，将压力和流量信号通过RVVP电缆传入自动控制柜中。将压力信号和流量信号接入智能仪表做PID闭环控制[7]，经过仪表PID运算后的模拟信号接入PLC模拟量接口。压力信号接入到控制柜内的隔离分配器，将信号分为两路，一路接入智能仪表中做PID控制，另一路接入PLC中，PLC通过编程后的程序控制变频器运行，实现变频器的自动控制[11]，做内部各类保护和报警对比。经过PLC编程处理后的数据接入1、2号变频器中，作为自动控制是频率给定方式。流量信号作为保护条件，在设定范围内优先以压力方式控制变频器，当压力维持在设定范围内时，流量如果不在设定范围，将切换到恒流量模式运行，当压力下降到注水压力下线立即切换到压力控制。当一台泵作为主泵运行时，另一台根据主泵的运行频率，通过PLC运算后使其达到最佳运行控制效果。同时能够实现手动自动无忧切换控制运行。控制原理如图1所示。

3 项目运行及节能效果

精细化恒压稳流变频注水控制系统是油田各个采油厂开发应用比较成熟、经济、具有潜力的技术，是油田采油厂实现智能化无人值守工作站系统中最核心、最重要、最有效的基础。精细化恒压稳流变频注水控制系统既是油田自动化开发水平的集中体现，又是未来持续发展的关键，以精细化恒压稳流变频注水控制系统为基础，通过对注水站相关设备进行改造，开发站控系统、监控与生产分析模块，可以最终实现注水站无人值守，减少了人工巡检次数，降低了人工劳动强度，简化目前注水站的操作规程，有效提高注水系统管理水平，自动化程度大大提高。

4 结语

企业节能降耗是一个系统工程，选择先进的设备、优化工艺手段，降低生产成本，提高经济效益和社会效益。精细化恒压稳流变频注水控制系统，压力和流量动态跟踪，自动化程度高，可以实现无人值守等优势，实际效能非常好，节能降耗显著，适于精细化管理的需要。

参考文献

[1] 吴九辅.泵控泵（PCP）自动化注水泵站系统[M].北京：石油工业出版社，2007.

[2] 刘丁.自动控制理论[M].2版.北京：机械工业出版社，2016.

[3] 刘金琨.智能控制[M].4版.北京：电子工业出版社，2017.

[4] 高安邦，胡乃文，马欣.通用变频器应用技术完全攻略[M].北京：化学工业出版社，2017.

[5] [美]Katsuhiko Ogata著;卢伯英，佟明安译.現代控制工程[M].5版.北京：电子工业出版社，2017.

[6] 班华，李长友.运动控制系统[M].2版.北京：电子工业出版社，2019.

[7] 孙润喜.恒压控制系统方法及变频恒压控制系统的优势[J].科技资讯，2020，18（15）：35-36，38.

[8] 韩雪涛.自动化工程师从入门到精通[M].北京：化学工业出版社，2019.

[9] （美）Alexander H.Slocum著;王建华译.精密机械设计[M].北京：机械工业出版社，2017.