联合站注水泵控制系统改造

刘伟

（吐哈油田鄯善采油管理区，新疆鄯善 838202）

0 引言

温米联合站9#注水泵为315 kW 电机，采用软启动器启动，电机开启后软启动器内部经过可控硅模块限制启动电流，运行后旁路接触器接通工频运行。采用软启动器启动有以下缺点：

（1）启动电流大，对电网有冲击，经常出现过流保护跳闸不能正常启动。

（2）软启动器原理是调节电压来调整启动转矩，启动后转工频运行，不能调整电机转速，由于管网出口压力波动较大，当管网阻塞或用水量下降时，该运行方式一直在工频运行，容易引起管网压力上升，对管网和泵有损坏作用。

（3）工频运行时耗能多，不节能。

9#注水泵软启动控制电路如图1 所示。

图1 软启动器控制

1 改造方案

基于上述原因采油厂决定对软启动柜进行控制系统改造，采用变频调速控制，结合中控霍尼韦尔EPKS 系统，利用泵出口压力来设定所需要的值，实现恒压供水。

1.1 变频调速控制系统原理

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成。变频调速技术就是依据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：

式中 n——转速，r/min

f——输入频率，Hz

s——电机转差率

p——电机磁极对数

从公式（1）中，利用改变电机工作电源频率实现改变电机转速，从而改变泵的出力。变频调速系统的控制方式包括V/F、矢量控制（VC）、直接转矩控制（DTC）等。V/F 控制主要运用在低成本、使用性能要求较低的场合；而矢量控制的引入，则开始了变频调速系统在性能高场合的运用。

1.2 Honewell EPKS 系统

利用中控霍尼韦尔EPKS 系统，该系统是Honewell 最新一代的过程自动化系统，他将人员与过程控制、经营和资产管理融合在一起。EPKS 为用户提供了远高于集散控制系统的能力，为决策者提供所需信息。其特点有：全局数据库，一次输入控制处理器与监控系统服务器所需信息；基于Web 结构的人机界面；全局在线文档；实时数据库；先进的系统框架；良好的开放性；严格的安全性及高性能先进的工业以太网解决方案。

根据工况管网所需供水压力，预先设定好压力SP，通过远程采集出口压力P，送入EPKS 系统组态程序进行比较、PID 运算处理，最后将结果通过4～20 mA 信号给定到变频器，变频器再转换成输出频率到电机上，从而调整电机转速。当出口压力大于中控设定值时，中控PID 输出信号电流减小，从而变频器输出频率减小，电机转速也相应降低；反之，出口压力小于中控设定值时，相对应的电机转速则升高以实现管网压力相对稳定，实现恒压供水。

2 改造内容

改造后控制系统如图2 所示。

图2 改造后控制系统

2.1 变频器选型

停用软启动柜，在配电室安装新变频柜1 台，变频器选用艾默生无感矢量变频器EV2000 315 kW 型，因为注水泵是大转动惯量负载，泵启动时容易引起V/F 控制方式的变频器出现过流保护跳闸的情况，所以选用具有高启动转矩的无速度传感器矢量变频器，同时在变频柜输出侧安装交流电抗器，消除变频器输出电流中的高次谐波分量，减小因高次谐波引起的电磁干扰，以减小电机运行噪声和温升，提高电机运行稳定性。

布置一条信号线（2×2.5 mm2）由中控AI 模块出线端子至变频器4～20 mA 接线端子，增加安全栅1 只，注意要使用带屏蔽层的信号线，屏蔽层有效接地，因为变频器在运行时产生大量谐波注入电网，同时对信号传输干扰特别大，采用安全栅和信号屏蔽层接地能有效消除变频器高次谐波对信号传输的干扰。

2.2 中控EPKS 系统组态

在中控室EPKS 系统里绘制泵和9#变频器流程图，利用HMIWeb Display Builder 功能建立主图、顺序子图与画面的关联，定义变量和各参数、编辑脚本等组态。再在中控室霍尼韦尔EPKS 系统对出口压力和变频器进行组态，对AI、DACA、PIDA和AO 等功能块分别组态，以实现变频调速，恒压注水。利用出口压力和PID 逻辑对控制点PIC6302A 组态程序如图3 所示。

图3 PIC6302A 控制点程序

通过泵出口压力变化信号传送给中控室，再由中控EPKS系统PID 程序发出指令给变频器，进行调整输出频率，从而调整电机的转速，压力降低时转速升高，压力增高时转速降低，使管网压力保持恒定，实现恒压注水。

2.3 增加泵房异地启停功能

由于原有软启动柜已停用，新变频柜安装在配电室，在泵房增加控制柜1 面，操作距离相对较远，为方便泵房启、停泵，现在从新变频柜布线至泵房控制柜，安装异地启停按钮、报警指示灯。方便操作人员现场启、停泵，巡检。

2.4 将原有仪表保护接入泵房新增控制柜

新增控制柜面板上安装数显控制仪5 只（该数显控制仪能接收4～20 mA 信号和Pt100 热电阻信号），数显仪分度号选择与4～20 mA 信号和Pt100 相对应的数值，设置数显仪温度和压力上下限报警和量程，在柱塞泵出口新增量程60 MPa 压力变送器1块，润滑油缸安装温度变送器Pt100 热电阻1 块。将原有出口压力高报警停机、进口压力低报警停机、泵油温高报警、电机绕组温度高报警和前端轴承温度高报警等停机功能接入新变频柜内，恢复原有仪表保护功能，满足注水泵工况需求。

每只数显控制仪报警输出点分两路，一路接中间继电器ZJ1、ZJ2、ZJ3、ZJ4、ZJ5 线圈回路，另一路接报警指示灯；再将ZJ1、ZJ2、ZJ3、ZJ4、ZJ5 中间继电器的常闭触点串联起来接入原变频控制停止回路SA 按钮中，其中ZJ1 对应泵进口压力低报中间继电器、ZJ2 对应泵出口压力高报中间继电器、ZJ3 对应泵油温高报中间继电器、ZJ4 对应电机绕组温度高报中间继电器、ZJ5 对应电机前端轴承温度高报中间继电器，报警联锁停机原理如图4 所示。

图4 电气原理报警停止控制

SA 为停止按钮，KM 为变频控制主回路交流接触器，2 只数显控制仪分度号选择4～20 mA 和Pt100 热电阻信号，设置好压力变送器和温度变送器对应量程，数显控制仪内设置报警停机值：出口压力30 MPa，泵润滑油油温75 ℃，保护系统通过现场泵出口采集4～20 mA 信号送入数显控制仪与内部设定的报警参数比较，当压力和油温异常达到上限值时AL 闭合，使中间继电器带电和报警灯闪烁报警，同时中间继电器ZJ 常闭触点断开，主回路KM 失电停机，从而对注水泵和管网起到保护作用。

2.5 调试

（1）检查变频控制柜和泵房控制柜一次、二次线路有无接地短路，对电气线路进行绝缘测试。

（2）对变频柜和泵房控制柜上电合闸，查看变频器、数显仪显示情况。具体步骤如下：①对变频器运行指令设置外部端子控制，最大频率为50 Hz，最低频率15 Hz，加速时间20 s，减速停机时间20 s；②数显仪检查温度和压力显示有无报警，进口压力低限报警0.1 MPa，出口高限报警30 MPa；③中控远程控制点压力PI6302 量程设置相对应0～60 MPa，变频器50 Hz 对应100%；④根据实际压力值，用多用表2 挡电流测量远传压变4～20 mA 信号，看上传中控值是否与现场对应一致；⑤泵房开泵后，观察泵进出口压力，油温是否异常；⑥在中控室Honewell EPKS 系统操作站F 站修改操作权限，使操作员能任意给定出口压力值SP；⑦泵加载后在中控室观察EPKS 系统PID 调节是否起作用，可根据输出百分数计算卡件模拟通道输出4～20 mA 电流数字和相对应的变频器运行频率，同时观察泵实际出口压力PV 值是否接近设定值SP；⑧测试泵出口压力高报是否起作用，如泵开启后未加载的情况下实际压力为5 MPa，可在数显仪上设置出口压力4.9 MPa高限报警停机，观察是否停机，油温高限报警测试也一样。

3 效果分析

通过对软启动器改造后，不仅能实现变频软启动注水泵，还能在泵停后减速停车，减少了泵启动和停车过程中对电网和泵及管网的冲击，延长了设备的使用寿命，减少了维修费用和人工成本。在中控设定好压力值26.1 MPa，控制系统通过EPKS、变频器、电机、注水泵、压变等形成闭环控制，转速根据压力自动调节，最终达到26.1 MPa，中控PIC6302A 控制点PID 调节界面如图5 所示。

图5 中控PIC6302A 控制点PID 调节

从实际运行中了解到，根据管网供水需求，反复改变出口压力设定值，经过一段比较长时间的观察，315 kW 的变频注水泵长期运行在42 Hz 左右。

节电分析：

根据实际情况，变频注水泵长时间在42 Hz 运行，315 kW注水泵一年按运行300 d、电价0.72 元/kW·h 计算。

每年节约电费为（315×24-315×24×42/50）×300×0.72≈26.1（万元）

4 结束语

通过对9#注水泵的软启动控制进行改造，停用软启动柜，新装变频柜，将压力变送器、温度变送器和数显控制仪等数字保护仪表应用于油田注水泵上，结合中控霍尼韦尔EPKS 系统对压力变送器和变频器组态，实现了注水泵变频启动、变频调速恒压注水；使中控操作人员便于监控注水泵运行情况，根据工艺需求设定出口压力，同时使泵具有出口高压报警停机和润滑油温度高等报警停机功能，改造后的控制系统节能、安全、可靠，满足了温米联合站注水泵工况的需求，对油田稳产和增产起到积极的作用。