变频恒压供水系统在沙漠油田的应用

2016-09-18门虎张玉华龚疆玲

石油化工自动化 2016年4期

门虎，张玉华，龚疆玲

(1. 中国石油天然气股份有限公司新疆油田分公司石西油田作业区，新疆克拉玛依 834000;2. 中国石油天然气股份有限公司新疆油田分公司风城油田作业区，新疆克拉玛依 834000 3. 中国石油天然气股份有限公司新疆油田分公司采油一厂，新疆克拉玛依 834000)

变频恒压供水系统在沙漠油田的应用

门虎1，张玉华2，龚疆玲3

为满足生活、供热、供暖等的用水需求，利用PLC及变频器对供水系统进行改造。将供水管网压力变送器的压力信号传输给PLC，进行PID调节改变变频器的输出频率，控制水泵机组的供水流量，实现了自动控制和调节供水。该系统能根据现场实际用水(外输管线压力)自动调节水量，维持恒定水压；同时，还能根据检测到的清水罐液位，自动启停水泵，具有系统工作稳定、节能效果明显、便于维修扩展、性价比高等优点。

恒压供水系统可编程控制器变频器PID调节

石西油田作业区位于古尔班通古特沙漠腹部，生产基地生活给水系统由水源井、水处理装置、供水控制装置组成。原供水控制装置驱动4台功率为22 kW的立式离心给水泵，供水能力2400m3/d，供水系统的压力设定值为0.30～0.45MPa，当出水管汇压力低于设定的下限，2台清水泵工频运行；出水管汇压力处于设定范围内时，1台清水泵工频运行；当压力高于设定的上限压力时，2台清水泵停止运行。其余2台清水泵作为备用泵。

随着沙漠油田滚动开发，基地生活区扩大增容，为满足生活、供热、供暖等的用水需求，原供水控制装置启停运行频繁，人员管理难度大，电气故障逐渐增多且耗电量高。为使供水系统具有自动运行、恒压供水、节约电能的性能，需要对其进行优化改造。

1　改造方案与功能

1.1改造方案

采用由可编程逻辑控制器(PLC)及变频器组成的变频恒压供水控制系统[1]可以满足上述改造要求。系统由S7-200PLC、ACS400变频器、软启动器、压力变送器、液位变送器和水泵机组共同组成完整的闭环控制系统。

1.2检测与控制

1) 信号检测。在系统控制正常工作过程中，需要对供水管网的水压信号、水池的液位信号进行检测，以确保系统正常稳定的运行。

a) 供水管网的水压信号。该信号反映的是用户管网内部的水压值，是该系统所有反馈信号中最重要的信号之一。该信号为模拟量，需PLC扩展模拟量模块来接收，PLC对该值进行PID处理后，将处理后的数据传送给变频器，从而控制水泵转速，实现供水系统的恒压供水。

b) 清水罐液位信号。该信号主要对水罐液位进行监测，由PLC扩展模拟量模块来接收。当水位达到PLC设定下限时，PLC停止水泵的工作，从而防止水罐水量不足时水泵电机发生空转，保护系统及电机的安全稳定工作，同时可对水罐液位高低限进行报警。

2) 恒压控制。恒压供水系统的控制部分一般包含在供水控制柜中，主要包括PLC，变频器，软启动器和电控设备。PLC通过系统程序汇总来自各部分的信息，并进行分析计算，从而得出对整个系统执行部件的控制方案，通过变频器、软启动器对水泵机组进行相应的控制[1]。恒压供水系统的控制流程如图1所示，该系统将供水管网上压力变送器的压力信号传输给PLC，对输入值与设定值进行比较，通过PID调节改变变频器的输出频率，控制水泵机组的供水流量，从而达到恒压供水的目的。

2　恒压供水工作流程

变频恒压供水系统的工作流程分为系统启动、PID调节、增泵运行、减泵运行四个流程[2]。

1) 系统启动。PLC执行系统内部程序，启动变频器，变频器带动其中工作时间最短的水泵运行，系统对供水水压与压力设定值进行比较计算，控制变频器的输出频率，从而改变水泵电机的转速。当检测到的供水压力值与系统设定值相等时，系统达到稳定，此时变频器的输出频率和水泵电机的转速都达到一个固定值，这期间水泵电机工作在调速状态。

图1　恒压供水系统控制流程示意

2) PID调节。当用户端用水量增加时，供水管网压力降低，PLC根据压力变化进行PID调节，变频器输出频率增加，水泵电机转速增大同时流量增大，使供水压力值与系统设定值相等。反之，当用户端用水量减小时，系统通过PID运算，最终控制电机转速减小，减小系统供水流量，使供水压力值与系统设定值相等。

3) 增泵运行。当用户用水量增加较多，变频器的输出频率达到频率设定上限，水泵电机满负荷运行，系统供水管网的供水压力仍然低于系统设定值，则满足增泵条件。变频器处于变频固定式工作模式，此时PLC控制软启动器带动4个水泵中运行时间最短的水泵启动，使该水泵工频运行，同时PLC接收来自压力PID控制器的检测信号，控制变频器的输出频率，改变变频泵的转速，重新使系统达到稳定的工作状态。如果用户的用水量仍然增加，达到增加水泵的条件时，则继续按上述步骤增加水泵，直到系统达到新的稳定状态为止。

4) 减泵运行。当用户用水量减小，且变频器的输出频率已经达到变频器频率的设定下限时，系统供水管网的水压仍然高于系统的压力设定值，则满足减泵条件。此时，PLC接到信号，关闭工频运行中运行时间最长的水泵，同时PLC继续根据压力传感器检测到的信号运行，控制变频器的输出频率，调整水泵电机转速，使系统达到稳定状态。如果用户水量继续减小，达到减少水泵条件时，则继续按照上述步骤减少水泵，直到达到平衡为止。

3　应用效果

利用PLC及变频器对供水系统的外输水压、清水罐液位进行信号监测，控制4台水泵的变频运行、软启动以及工频运行，实现了自动控制和调节供水。该系统能根据现场实际用水(外输管线压力)自动调节水量，维持恒定水压，满足生活用水、供热、供暖的需要；同时，还能根据检测到的清水罐液位，自动启停水泵，具有系统工作稳定、节能效果明显、便于维修扩展、性价比高等优点。

[1]李方圆.PLC行业应用实践[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2]杨东平.变频调速恒压供水系统综述[J].南京职业技术学院学报，2004， 9(03)： 77-80.

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[6]郭丙君，黄旭峰.深入浅出PLC技术及应用设计[M]. 北京：中国电力出版社，2008.

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[9]吴浩烈.电机及电力拖动基础[M].重庆：重庆大学出版社，1996.

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门虎(1974—)，男，河南镇平人，1994年毕业于新疆克拉玛依技校采油自动化专业，现就职于中国石油天然气股份有限公司新疆油田分公司石西油田作业区，从事自动化应用及维护工作，任高级技师。

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