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英威腾Goodrive300系列变频器在油田输油泵上的应用

www.cechina.cn2012.02.21阅读 5807

  一、 引言
  中国石油某分公司是隶属于中国石油天然气股份有限公司(PetroChina)的地区性油田公司,工作区域在中国第二大盆地--鄂尔多斯盆地,横跨陕、甘、宁、内蒙古、晋五省(区),勘探总面积37万平方公里。该油田推行数字化管理,充分利用自动控制技术、计算机网络技术、油藏管理技术、数据整合技术、数据共享与交换技术,提升工艺过程的监控水平,建立全油田统一的生产管理、综合研究的数字化管理平台,节约了人力资源和提高了效益。
  下图为该公司采油厂其中一作业区增压站的数字化管理流程图。

  目前随着我国大部分油田原油含水率的不断增加、产量的变化及外输管道阻力的增大,油田用输油泵普遍存在着低效、高能耗的问题。为解决这一问题,不少油田采用了电机变频调速技术,由调整泵的电机转速取代出口调节阀,降低泵出口的压力损耗,取得了很好的节能效果。在油田增压站数字化建设流程中,其要求根据缓冲罐液位来调节输油泵的启停和转速,是实现输油智能化的重要表现,输油泵由异步电动机驱动,电机的控制就显得尤为重要,英威腾Goodrive300变频器不仅有很大的节能空间而且满足了输油工艺的智能调速要求。
  二、 变频输油泵应用环境分析
  该公司采油厂其中一作业区所辖井场由于地处陕北延安山区,其井场并不集中,井场抽油机采集的油经过输油管道汇入增压站点,由增压站点经过计量和除气等必要的简单处理,经输油泵输出至联合站,然后至输油处统一外输调配。
  为实现数字化智能输油和节约电能,油田井站提出变频控制输油的改造方案,要求可以实现据缓冲罐液位自动启停输油泵和调节输油泵转速, 增压站点有2台输油泵,一备一用,正常时要求变频控制输油泵且实现智能调节,当缓冲罐液位超高报警时将自动启用备用输油泵,整个输油控制系统要求无人值守,如下图。

  井场站点提供380V/50HZ输入交流电源,根据井场采液量不同,各增压站点的输油泵配备的异步电动机功率也有所不同,从11KW到45KW不等,这就使得各站点要求的变频装置将有柜体尺寸和变频器型号的区别。经现场勘查,英威腾Goodrive300系列变频器可满足其要求,本文以11KW输油泵为例分析,下图为离心式输油泵结构示意图。

  三、 使用变频调速节能分析
  输油泵电机运转时,流量与转速成正比控制工程网版权所有,随着油泵电机电机转速的变化,流量也随之变化,所以通过变频器控制,使油泵电机电机的转速、油泵电机的流量和压力可调,以此来达到现有的生产工艺要求。变频运行时的电机转速发生变化,电机负载电流也随着变化。当然电机转速的降低使变频输出电压也随之降低,油泵电机的负荷电流也随之降低。
  当泵和电机已经确定,系统的能量利用率首先与泵的剩余扬程有关,其次是泵的运行状态(是否在高区)。变频调速就是从这两个方面来提高能量利用率, 从而达到节能目的。理论上,通过适当调节可使剩余扬程为零控制工程网版权所有,并使泵在高效区工作。对剩余扬程较高的系统,其节能效果是十分显著的。

  采用变频调速技术,则可调节泵的转速,使泵的特性曲线由1下移至2(如上图)[1], 管道系统新的工作点为C点,泵的出口扬程与管路总压降相等,没有剩余扬程,不存在节流损失,因而能量利用率较高。根据相似原理,调速后泵的效率近似相等,可保证泵在高效区工作,因此节能效益十分可观。
  四、 变频柜设计方案
  根据英威腾多年的产品经验以及现场原有装备和要求,最终确定对控制变频柜提出工变频改造方案。现场输油泵的电机参数见下表:
  

功率

11KW

额定电压

380V

额定转速

1440rpm

额定电流

22 A

  变频器与工变频电路安装在变频柜中,本地工变频切换在变频柜门上进行,工频本地启动和停止也设计在柜门上,变频启动和停止的本地直接用键盘操作,并预留有泵房直接启停的线路接口,其主安装后变频柜的结构如下所示。       
  变频柜设计的电路如下所示。

  变频器I/O控制接线未启用,只需提供给PLC一个故障信号,变频器功能码采用V4.19版本。变频器与西门子PC机通过RS485进行通讯,并且整个增压站中配置西门子PLC作为智能控制主站,监控室可通过PC机的操作界面来手动远程的启停输油泵并控制其转速。西门子的PLC模块采集缓冲罐液面数据用于自动控制输油泵的启停,当液面超高报警时,备用泵将自动开启,变频输油泵也变频运行,实现无人值守。
  本方案变频器采用的主要控制方式是RS485远程通讯控制方式,在各增压点的配电控制室中,不仅仅有输油泵变频控制柜控制工程网版权所有,有的还有注水泵变频控制柜,而且往往功率较输油泵大,在配电控制室中还有PLC控制柜,整个配电控制室一般只有8~12平方左右,所以,我们的变频控制柜工作在有电磁干扰的环境中,其EMC要求要注意2方面,即干扰和抗干扰。由于只是一般的辐射干扰较多,变频器采用带屏蔽的双绞线作为RS485通讯线即可,其他要求严格的控制线(如注水泵通讯线)也应采用带屏蔽的双绞线,现场运行表明是可靠的。
  使用变频调速输油,在工艺及控制技术上实现了两大突破:一是将缓冲罐液位分段,在不同液位段泵运行频率不同,进而更精确、有效地控制混输泵的运行;二是充分考虑冬季输油混输泵运行特点及当前输油量,设定启泵、停泵液位,使停泵时间不超过1小时,对泵自身是一种保护,又不会使下游管线中油水混合物因长时间不流动而冻结。
  五、 运行效果分析
  随着该油田数字化建设工程的推进,目前,采油厂基本实现了增压点数字化管理,而所有的输油泵都已实现工变频运行。经过长时间的现场运行,变频调速的优势凸显:
  (1) 实施变频调速的增压站外输单耗比无变频增压站单耗低40%,节电效果较好。
  (2)输油泵匹配越差即增压站的负荷率越低,变频改造后的节电效果越好。增压站外输泵负荷率高于85% 时, 节电效果明显降低。
  (3)沿程摩阻相近的条件下, 变频自动运行低于手动运行外输油单耗。统计结果表明,自动变频运行增压站的外输单耗要低于手动变频运行的增压站外输单耗。分析认为, 变频自动运行时,电机的转速根据液位自动调整,能够保证外输能力与需求时时匹配;而变频开环运行时,电机的转速需要岗位工人根据液位手动调节,如果增压站的外输液量不稳定,工人调整远不如设备自动调整, 这样势必造成外输单耗的升高。
  六、 结束语
  通过长时间的运行观察和一线员工的反馈,无人操作自动变频连续输油运行可靠控制工程网版权所有,完全满足增压点生产工程流程要求,杜绝了人工操作易造成缓冲罐溢罐等事故发生www.cechina.cn,提高了生产安全、减轻了人工劳动强度,并且输油泵整体节能达20%以上,受到一线操作人员及采油作业区好评。输油泵工变频自动控制方案现已广泛应用于整个油田各增压点,英威腾Goodrive300开环矢量型通用变频器可靠性高,功能丰富,已在油田增压点大量长期运行。

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