自动化控制在注水设备管理中的应用

自动化控制在注水设备管理中的应用现代社会已经进入了网络时代，无论我们的衣食住行、生活起居，还是工作学习都离不开网络，工业领域也早已进入了互联网时代，高度集成的自控设备早已在工业生产中发挥不可替代的作用，注水设备是油田生产中的耗能大户，我们在加强注水设备日常管理的同时，更加要关注设备的能耗管理，这就对注水设备运行过程中的控制系统、监测系统提出了更高的要求，本文在对目前设备监测管理系统进行分析的同时，提出了制定油田注水设备控制系统、监测系统标准，实现注水设备管理标准化、制度化的管理思路。注水设备在油田开发过程中起着至关重要的作用，通过专门的注入井将水注入油藏，保持或恢复油层压力，使油藏有很强的驱动力，以提高油藏的开采速度和采收率。目前高压注水多采用两类高压泵：多级离心泵，排量大，但在高压下效率稍差，通常注水压力较平稳，维修量小；多缸柱塞泵（三缸或五缸）,排量小，但调节范围大，整机效率高，但维修工作量较大。目前我厂高压注水泵选用的是五缸柱塞泵。在目前的管理制度中，我们着重关注的是设备的正常运行、设备维修保养等与生产运行相关的参数，只有设备运行时率有所保证才能保证注水设备的有效注水，首先是注够水，进而注好水，保证精细注水。随着社会的发展，我们能源消耗的关注度越来越高，不仅要求注水设备能够满足生产运行的需求，还要满足高效率、低能耗的要求，各种注水设备节能控制系统、节能监测系统相继上马，但相关的管理标准却落后于时代，因此在进行深入技术研究和实践证明的情况下，制定注水设备相关的能耗控制、能耗监测标准，是在现代低碳、环保经济环境下进行设备管理的必由之路。1正文1.1注水设备能耗控制及能耗监测1.1.1能耗控制在提高注水系统效率方面，除了不断优化注水工艺、合理制定生产运行参数等工作外，就是保证注水泵本身效率的问题了，为了使注水泵的运行能够适应注水量的需求，根据容积泵的运行特点，最适合的改造手段就是变频控制系统的应用。目前油田所用的大多数柱塞泵都实施了自动变频控制系统改造，就是以自动控制的变频柜来取代原注水泵自带的普通控制柜，从而避免以人工调节回流量来适应注水需求的控制方式造成无效回流，增加注水单耗。目前大部分注水站都是多台注水泵并联运行的，因此就需要一套自动软切换控制器来实现变频系统的一拖多运行，即注水泵采取变频启动方式，变频调节受注水泵出口汇管压力控制，当压力未达到注水要求，自动提升变频频率，当第一台注水泵频率达到50Hz时，自动切换至工频运行，第二台注水泵继续变频启动，直至压力满足注水压力要求，当注水量和注水压力波动时，变频器通过频率调节来满足注水要求，从而避免了多台泵工频运行，开回流的能源浪费。在这种控制系统下，注水泵的效率可以得至最大的提升，系统中所有注水泵的输出压力都是工艺要求的压力，水量调节由变频系统完成，没有回流损耗。1.1.2能耗监测注水泵是油田生产中最主要的能耗设备之一，对注水泵的能耗监测已全部实现了单设备用电计量，所配备的运行监测系统能够实时监测注水的出口压力、进口压力、出口流量、机油温度、电机温度、三相电压、三相电流、超温、超压、欠压、过载、过流报警及自动紧急停止等功能。但在节能需求越来越高的情况下，传统的单一电力计量模式已远不能满足对注水设备进行能耗监测的需求，有功功率、无功功率、有功电度、无功电度等参数，也是注水泵重要的能耗指标，建立电机的全电参数监测就显得格外重要。1.2注水设备能耗监测的需求及目前系统存在的问题1.2.1设备及配套装置目前注水系统常用的注水泵及配套电气控制设备相对于生产需求比较落后，在设备安装完成后，进行运行监测及控制系统实施时需要对新设备进行改进，造成很多的无效工作量及工期拖延，主要表现在以下几个方面：一是注水泵的进出口压力及机油室温度保护系统仍采用机械电接点仪表进行保护，由于注塞间歇工作造成的冲击，尽管厂家采取了长管缓冲措施，表针摆幅仍然很大，使出口最高压力及吸入口最低压力无法准确设定，往往是压力表还没到检定周期就已因振动损坏，需频繁更换电接点仪表；另外，在进行监测系统实施时，由于电接点仪表的精度远远达不到要求，所以这些设备需要拆除，更换成压力变送器、温度传感器，造成仪表浪费。二是电机按照工频运行配套，由于注水泵在变频运行时，负载为恒转矩特性，在低频时，由于电机转速低，发热量不变而造成电机过热，需要进行散热系统的改造，新增专用的散热风机。三是原电机上未预留温度变送器安装孔，监测系统实施时很不方便。1.2.2能耗控制系统目前柱塞式注水泵站都采用了一拖多的变频自动控制系统进行注水压力自动控制，但在系统设计时，很少安装全套的变频器进口、出口滤波器及平波电抗器，造成变频的高次谐波进入电网及电机，使电机能耗增加。同时，使变频拖动电机的电参数测量失去准确性。1.2.3监测系统在注水泵监测系统设计时，很少考虑到注水电机全电参数监测，而没有电参数数据，就不能及时反应出注水泵的运行效率，使注水泵的一些潜在问题不能及时发现，比如注水泵阀座轻微漏失造成效率下降的情况。只有当注水泵表现出故障噪音、出口流量明显变小等问题时，才会发现并进行维修。而这时，可能注水泵已以低效运行了相当长的时间了。尤其是在变频拖动运行的情况下，这一故障更加不容易被发现。2 系统设计由于原油开采成本的持续上涨及低碳、环保的要求越来越严格，在日常生产中保持高能耗设备的高效运行成了我们所关注的重点问题。在这种情况下，就要求注水泵的运行监控系统能够实现能耗监测。要实现这一目标，就必须精确地测量电机的全电参数，包括三相电压、三相电流、功率因数、有功功率、无功功率、累计能耗等参数，然后再根据特定时段的出口水量，计算出注水泵的工作效率，一旦出现效率降低的情况，可以及时提示值班人员检查注水泵的运行情况，在第一时间发现问题，解决问题。根据以上要求，对注水能耗监控系统设计简述如下2.1系统架构注水泵运行参数涉及注水泵房、配电室等多个监测地，系统设计采用网络信号传输方案。电参数采集由全电参数采集模块及配套电流互感器完成，可实现三相电压、三相电流、三相功率因数、三相有功功率、三相无功功率、三相有功电度、三相无功电度等全电参数的采集，数据传输至配电室机柜数据采集器。机泵关键点的电机温度、柱塞振动信号以泵为单位由网络温度、振动采集模块完成，数据传输至配电室机柜数据采集器。注水泵进口压力、出口压力数据监测由各泵进出口的压力变送器采集，再将信号远传至配电室机柜中的数据采集器和PLC，由PLC系统完成注水泵吸入口欠压及出口超压自动保护控制。机泵出口流量信号使用流量计自带二次表采集，数据采用RS485模式传输至配电室机柜数据采集器。全部数据都由配电室机柜中的数据采集器收集，通过网络传输模块将全部数据远传至服务器，设置一台主计算机运行组态软件，完成软切换控制PLC、模拟量采集与控制PLC、各电参数采集终端RTU的数据汇总、效率计算、报表生成、网络发布。2.2主要测控功能 注水泵的运行监测由组态软件系统直读软切换控制系统PLC数据获取，包括泵的启停状态、运行状态（工频或变频）、备用状态（备用或停用）等。 注水泵工作参数测控采用PLC模式，由PLC系统采集注水泵的电机温度（包括轴承）、注水泵机油温度、进口压力、出口压力、出口流量、各柱塞的振动情况等参数，并根据组态系统设定的报警数据进行比较，一旦出现报警事件，根据PLC预设的程序进行报警或停泵处理。报警数据由PLC输出给控制柜（原信号由电接点仪表提供）。 注水泵电参数采集由全电参数计量模块完成，包括三相电压、三相电流、视在功率、有功功率、无功功率、功率因数、有功电量累计、无功电量累计等计量数据。安装计量模块需要配套安装高精度的电流互感器（0.5级），在变频柜上安装时，需要变频柜安装变频器指定的滤波器及平波电抗器。 数据统计、计算由安装组态软件的计算机完成，系统在显示注水泵的采集数据同时，需要计算注水泵在当前工况下的注水单耗及效率。效率计算分两部分数据：一是瞬时注水单耗及泵效，这一数据由系统完成每次采集后计算，就是用注水泵的出口流量、出口压力、有功功率等数据计算；二是泵的阶段注水单耗及效率，就是由系统自动累计一定时间段的流量、压力、有功电量等数据进行计算，目的是消除瞬时量波动误差。 报表生成及发布由组态软件系统完成。2.3测控目标该系统设计理念就是给注水泵一个安全、高效的工作环境。各注水站的原有监测系统运行结果表明，以变送器测量注水泵的压力、温度数据并使用电信号比较完成报警及停泵控制功能比电接点仪表要准确、可靠；效率监测是本系统设计的最主要目标，依靠先进成熟的全电参数测量模块采集注水泵的能耗状态，再有准确的注水泵出口压力及流量数据，就能够准确地计算出注水泵的单耗及效率，这个数据将成为指导岗位工人调节注水泵运行状态及注水泵维修、保养的重要依据。2.4振动监测2.4.1概述整套系统无论是温度、压力、电量的监测都可以说是相对成熟的技术，而柱塞泵的振动监测却还是一个空白领域，然而柱塞的振动监测却是设备健康运行的一个重要指标。对于五柱塞注水泵的高故障率而言，主要是指泵液力端内部的吸入阀片、排出阀片、盘根和大中小三种弹簧的故障问题，它们能否完全正常的工作是影响泵效的主要因素，而如何及时发现和纠正它们非正常工作状态，是我们一直探寻的问题。通过系统的观察和分析，发现，凡是它们出现故障时，液力端的振动都会出现变化，据此，我厂在羊注水站对泵液力端进行振动监测，通过近几年来的不断实践，取得了很好的经验和判断方法。即通过监测每一根柱塞的振动幅值，录取监测数据绘制成动态曲线，以此来判断出每根柱塞液力端配件在工作过程中的运行状况，及时对故障进行准确判断和处理，在减轻工人劳动强度的（是原来的工作量的20%）同时，确保了柱塞泵的高效运行，有效提升了柱塞泵运行质量。图1-1为振动曲线图。表1-1为羊注水站5ZB-20/38的柱塞泵振动与设备故障对比表。不同型号的泵，不同的运行频率，不同的工作压力等因素下所测泵的振幅均不相同。各注水站在开展状态监测工作时，应根据自己实际情况进行分析总结，得出自己的故障判断数据。2.4.2监控探头的安装由于柱塞式注水泵运行中振动很大，压力变送器采用导压管引出的方式安装。电机温度采用有线安装方式：温度变送器采用铂电阻传感器，提高测温精度，探头采用AB胶粘接的方式安装。振动采用在线监测方式，每套包括泵及电机的前后轴承两端，共（5柱+2端）*5=35个测点，单点采用BSZ808A振动变送器套装粘接传感器底座进行安装（见下图1-2、1-3、1-4），组态通过MODBUS/TCP协议进行数据连接到值班室服务器计算机，通过振幅曲线分析诊断设备的健康趋势及状态。图1-6为4#注水泵运行参数监控，包括三相电压、三相电流、工频变频运行状态、功率因数、有功功率、瞬时流量、累计流量、注水单耗、机泵效率、柱塞振幅、电机轴承振速、轴承温度、定子温度。3结论一、注水泵生产厂家在电机选配、仪表配套等方面已无法满足油田注水系统的要求，需要及时修改注水泵的设备采购标准，避免采购完成后再更换相关配套设备的问题。二、在注水泵的运行监测系统中，加入能耗监测的内容，可以为注水泵的运行提供完善的实时数据，同时也能够及时反