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(yīng)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(dòng)/自動(dòng)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(gè)核心控制系統(tǒng)。本文以其中一臺(tái)15KW的Goodrive300變頻器為例分析其應(yīng)用，并對(duì)英威騰Goodrive300開環(huán)矢量型通用變頻器在輸油泵上的應(yīng)用提供推廣方案。

關(guān)鍵詞：變頻器   輸油泵  遠(yuǎn)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(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(tái)，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(jī)變頻調(diào)速技術(shù)，由調(diào)整泵的電機(jī)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(shí)現(xiàn)輸油智能化的重要表現(xiàn)，輸油泵由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)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(yīng)用環(huán)境分析

      該公司采油廠其中一作業(yè)區(qū)所轄井場(chǎng)由于地處陜北延安山區(qū)，其井場(chǎng)并不集中，井場(chǎng)抽油機(jī)采集的油經(jīng)過輸油管道匯入增壓站點(diǎn)，由增壓站點(diǎn)經(jīng)過計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)據(jù)緩沖罐液位自動(dòng)啟停輸油泵和調(diào)節(jié)輸油泵轉(zhuǎn)速， 增壓站點(diǎn)有2臺(tái)輸油泵，一備一用，正常時(shí)要求變頻控制輸油泵且實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)，當(dāng)緩沖罐液位超高報(bào)警時(shí)將自動(dòng)啟用備用輸油泵，整個(gè)輸油控制系統(tǒng)要求無人值守，如下圖。

      井場(chǎng)站點(diǎn)提供380V/50HZ輸入交流電源，根據(jù)井場(chǎng)采液量不同，各增壓站點(diǎn)的輸油泵配備的異步電動(dòng)機(jī)功率也有所不同，從11KW到45KW不等，這就使得各站點(diǎn)要求的變頻裝置將有柜體尺寸和變頻器型號(hào)的區(qū)別。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，流量與轉(zhuǎn)速成正比，隨著油泵電機(jī)電機(jī)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(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、油泵電機(jī)的流量和壓力可調(diào)，以此來達(dá)到現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝要求。變頻運(yùn)行時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，電機(jī)負(fù)載電流也隨著變化。當(dāng)然電機(jī)轉(zhuǎn)速的降低使變頻輸出電壓也隨之降低，油泵電機(jī)的負(fù)荷電流也隨之降低。

      當(dāng)泵和電機(jī)已經(jīng)確定，系統(tǒng)的能量利用率首先與泵的剩余揚(yáng)程有關(guān)，其次是泵的運(yùn)行狀態(tài)(是否在高區(qū))。變頻調(diào)速就是從這兩個(gè)方面來提高能量利用率， 從而達(dá)到節(jié)能目的。理論上，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)可使剩余揚(yáng)程為零，并使泵在高效區(qū)工作。對(duì)剩余揚(yáng)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(diǎn)為C點(diǎn)，泵的出口揚(yáng)程與管路總壓降相等，沒有剩余揚(yáng)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(jì)方案

      根據(jù)英威騰多年的產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)原有裝備和要求，最終確定對(duì)控制變頻柜提出工變頻改造方案。現(xiàn)場(chǎng)輸油泵的電機(jī)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(jìn)行，工頻本地啟動(dòng)和停止也設(shè)計(jì)在柜門上，變頻啟動(dòng)和停止的本地直接用鍵盤操作，并預(yù)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(jì)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(gè)故障信號(hào)，變頻器功能碼采用V4.19版本。變頻器與西門子PC機(jī)通過RS485進(jìn)行通訊，并且整個(gè)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(jī)的操作界面來手動(dòng)遠(yuǎn)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(dòng)控制輸油泵的啟停，當(dāng)液面超高報(bào)警時(shí)，備用泵將自動(dòng)開啟，變頻輸油泵也變頻運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無人值守。

      本方案變頻器采用的主要控制方式是RS485遠(yuǎn)程通訊控制方式，在各增壓點(diǎn)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(gè)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(yán)格的控制線（如注水泵通訊線）也應(yīng)采用帶屏蔽的雙絞線，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)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(shí)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(yùn)行頻率不同，進(jìn)而更精確、有效地控制混輸泵的運(yùn)行；二是充分考慮冬季輸油混輸泵運(yùn)行特點(diǎn)及當(dāng)前輸油量，設(shè)定啟泵、停泵液位，使停泵時(shí)間不超過1小時(shí)，對(duì)泵自身是一種保護(hù)，又不會(huì)使下游管線中油水混合物因長時(shí)間不流動(dòng)而凍結(jié)。

五、 運(yùn)行效果分析

      隨著該油田數(shù)字化建設(shè)工程的推進(jìn)，目前，采油廠基本實(shí)現(xiàn)了增壓點(diǎn)數(shù)字化管理，而所有的輸油泵都已實(shí)現(xiàn)工變頻運(yùn)行。經(jīng)過長時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，變頻調(diào)速的優(yōu)勢(shì)凸顯：

    （1） 實(shí)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(fù)荷率越低，變頻改造后的節(jié)電效果越好。增壓站外輸泵負(fù)荷率高于85% 時(shí), 節(jié)電效果明顯降低。

    （3）沿程摩阻相近的條件下, 變頻自動(dòng)運(yùn)行低于手動(dòng)運(yùn)行外輸油單耗。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，自動(dòng)變頻運(yùn)行增壓站的外輸單耗要低于手動(dòng)變頻運(yùn)行的增壓站外輸單耗。分析認(rèn)為， 變頻自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速根據(jù)液位自動(dòng)調(diào)整，能夠保證外輸能力與需求時(shí)時(shí)匹配；而變頻開環(huán)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速需要崗位工人根據(jù)液位手動(dòng)調(diào)節(jié)，如果增壓站的外輸液量不穩(wěn)定，工人調(diào)整遠(yuǎn)不如設(shè)備自動(dòng)調(diào)整, 這樣勢(shì)必造成外輸單耗的升高。

六、 結(jié)束語

      通過長時(shí)間的運(yùn)行觀察和一線員工的反饋，無人操作自動(dòng)變頻連續(xù)輸油運(yùn)行可靠，完全滿足增壓點(diǎn)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(dòng)強(qiáng)度，并且輸油泵整體節(jié)能達(dá)20%以上，受到一線操作人員及采油作業(yè)區(qū)好評(píng)。輸油泵工變頻自動(dòng)控制方案現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于整個(gè)油田各增壓點(diǎn)，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(diǎn)大量長期運(yùn)行。