摘要：本文主要介紹了英威騰Goodrive300開環(huán)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(shù)字化輸油系統(tǒng)中發(fā)揮了重要的作用，其控制性能可靠，節(jié)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(tǒng)與Goodrive300系列變頻器工變頻切換系統(tǒng)共同構(gòu)成整個核心控制系統(tǒng)。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(huán)矢量型通用變頻器在輸油泵上的應用提供推廣方案。

      關(guān)鍵詞：變頻器   輸油泵  遠程控制   PLC

      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(qū)性油田公司，工作區(qū)域在中國第二大盆地--鄂爾多斯盆地，橫跨陜、甘、寧、內(nèi)蒙古、晉五省（區(qū)），勘探總面積37萬平方公里。該油田推行數(shù)字化管理，充分利用自動控制技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、油藏管理技術(shù)、數(shù)據(jù)整合技術(shù)、數(shù)據(jù)共享與交換技術(shù)，提升工藝過程的監(jiān)控水平，建立全油田統(tǒng)一的生產(chǎn)管理、綜合研究的數(shù)字化管理平臺，節(jié)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(yè)區(qū)增壓站的數(shù)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(chǎn)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(diào)速技術(shù)，由調(diào)整泵的電機轉(zhuǎn)速取代出口調(diào)節(jié)閥，降低泵出口的壓力損耗，取得了很好的節(jié)能效果。在油田增壓站數(shù)字化建設(shè)流程中，其要求根據(jù)緩沖罐液位來調(diào)節(jié)輸油泵的啟停和轉(zhuǎn)速，是實現(xiàn)輸油智能化的重要表現(xiàn)，輸油泵由異步電動機驅(qū)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(jié)能空間而且滿足了輸油工藝的智能調(diào)速要求。

      二、變頻輸油泵應用環(huán)境分析

      該公司采油廠其中一作業(yè)區(qū)所轄井場由于地處陜北延安山區(qū)，其井場并不集中，井場抽油機采集的油經(jīng)過輸油管道匯入增壓站點，由增壓站點經(jīng)過計量和除氣等必要的簡單處理，經(jīng)輸油泵輸出至聯(lián)合站，然后至輸油處統(tǒng)一外輸調(diào)配。

      為實現(xiàn)數(shù)字化智能輸油和節(jié)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(xiàn)據(jù)緩沖罐液位自動啟停輸油泵和調(diào)節(jié)輸油泵轉(zhuǎn)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(xiàn)智能調(diào)節(jié)，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(tǒng)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(jù)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(qū)別。經(jīng)現(xiàn)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(jié)構(gòu)示意圖。

      三、使用變頻調(diào)速節(jié)能分析

      輸油泵電機運轉(zhuǎn)時，流量與轉(zhuǎn)速成正比，隨著油泵電機電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速、油泵電機的流量和壓力可調(diào)，以此來達到現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝要求。變頻運行時的電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，電機負載電流也隨著變化。當然電機轉(zhuǎn)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(jīng)確定，系統(tǒng)的能量利用率首先與泵的剩余揚程有關(guān)，其次是泵的運行狀態(tài)(是否在高區(qū))。變頻調(diào)速就是從這兩個方面來提高能量利用率， 從而達到節(jié)能目的。理論上，通過適當調(diào)節(jié)可使剩余揚程為零，并使泵在高效區(qū)工作。對剩余揚程較高的系統(tǒng)，其節(jié)能效果是十分顯著的。

      采用變頻調(diào)速技術(shù)，則可調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，使泵的特性曲線由1下移至2（如上圖）^[1]， 管道系統(tǒng)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(jié)流損失，因而能量利用率較高。根據(jù)相似原理，調(diào)速后泵的效率近似相等，可保證泵在高效區(qū)工作，因此節(jié)能效益十分可觀。

      四、變頻柜設(shè)計方案

      根據(jù)英威騰多年的產(chǎn)品經(jīng)驗以及現(xiàn)場原有裝備和要求，最終確定對控制變頻柜提出工變頻改造方案?，F(xiàn)場輸油泵的電機參數(shù)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(shè)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(jié)構(gòu)如下所示。

      變頻柜設(shè)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(jiān)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(zhuǎn)速。西門子的PLC模塊采集緩沖罐液面數(shù)據(jù)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(xiàn)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(huán)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(xiàn)場運行表明是可靠的。

      使用變頻調(diào)速輸油，在工藝及控制技術(shù)上實現(xiàn)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，進而更精確、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(shè)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(jié)。

      五、運行效果分析

      隨著該油田數(shù)字化建設(shè)工程的推進，目前，采油廠基本實現(xiàn)了增壓點數(shù)字化管理，而所有的輸油泵都已實現(xiàn)工變頻運行。經(jīng)過長時間的現(xiàn)場運行，變頻調(diào)速的優(yōu)勢凸顯：

      （1） 實施變頻調(diào)速的增壓站外輸單耗比無變頻增壓站單耗低40%，節(jié)電效果較好。

      （2）輸油泵匹配越差即增壓站的負荷率越低，變頻改造后的節(jié)電效果越好。增壓站外輸泵負荷率高于85% 時, 節(jié)電效果明顯降低。

      （3）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(tǒng)計結(jié)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(zhuǎn)速根據(jù)液位自動調(diào)整，能夠保證外輸能力與需求時時匹配；而變頻開環(huán)運行時，電機的轉(zhuǎn)速需要崗位工人根據(jù)液位手動調(diào)節(jié)，如果增壓站的外輸液量不穩(wěn)定，工人調(diào)整遠不如設(shè)備自動調(diào)整, 這樣勢必造成外輸單耗的升高。

      六、結(jié)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(xù)輸油運行可靠，完全滿足增壓點生產(chǎn)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(fā)生，提高了生產(chǎn)安全、減輕了人工勞動強度，并且輸油泵整體節(jié)能達20%以上，受到一線操作人員及采油作業(yè)區(qū)好評。輸油泵工變頻自動控制方案現(xiàn)已廣泛應用于整個油田各增壓點，英威騰Goodrive300開環(huán)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。

      關(guān)于英威騰： 

      英威騰，成立于2002年，致力于成為全球領(lǐng)先、受人尊敬的電氣傳動、工業(yè)控制、新能源領(lǐng)域產(chǎn)品與服務(wù)供應商，2010年在深交所A股上市。英威騰是國家火炬計劃重點高新技術(shù)企業(yè)，總部員工1100多人，國內(nèi)、外辦事處30余個，控股子公司9家，業(yè)務(wù)涉及電氣傳動、工業(yè)自動化、新能源、軌道交通牽引、礦用防爆、能源管理、樓宇智能等領(lǐng)域。在基礎(chǔ)業(yè)務(wù)變頻器領(lǐng)域，英威騰占據(jù)國內(nèi)領(lǐng)先地位，擁有覆蓋高、中、低壓通用及各行業(yè)專用豐富的產(chǎn)品系列，產(chǎn)品在市政、塑膠、油田、化工、冶金、紡織、機床、礦山等行業(yè)廣泛應用，產(chǎn)品銷售遍布全球60多個國家和地區(qū)。

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