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1 引言

    為了補償油田采油生產過程中地層壓力衰減，需要使用注水工藝維持地層壓力進行采油作業。注水壓力高低是決定油田合理開發和地面管線及設備狀態的重要參數。由于在注水工藝和機電設備配置設計中需要適應的工藝條件復雜多樣，因此注水工藝設計和機電設備配置工程裕量。這些工藝條件包括：后期開發注水井的增多；儲油地層壓力及油氣水分布不斷發生變化；開關井數的增減；洗井及供水不足的影響等等。工藝條件的不確定性引起注水壓力波動，注水量不均勻不穩定，注水壓力控制難度大，給油田生產穩產高產和管理帶來困難。由于油田注水要求難于準確預測和控制，考慮到油田開發中的需要，設備裕量通常按照油田最大可能需求設計，在注水系統設計中尤為突出。油田注水設備采用離心泵電機拖動，大功率系統經常運行在大馬拉小車的輕載低效狀態。注水壓力靠泵出口閘門手動控制，即靠改變管網特性曲線來調節泵的排量，泵、電動機匹配難以達到在泵的最佳工況點運行，管網效率低，電能損失高達50%以上。

    變頻恒壓技術能夠十分有效的穩定注水工藝過程和大幅度降低大裕量型風機泵類工程電耗。注水站恒壓變頻自控系統的技術路線是充分利用現有生產設施，對注水設備的電動機轉速進行調節，達到穩壓、穩流供注水。同時軟起軟停功能代替減壓啟動，使電動機起停平穩，減少對電網和機械設備的沖擊，不會造成管網壓力、流量、流速劇烈變化，無需閥門截流，因此對防止汽蝕、水擊、喘振極為有利，可延長管網、泵、閥門維修周期和使用壽命。配套完善自動控制系統，搭建需求信息平臺，提高污水處理效果，加強監督管理機制，最大限度地降低崗位員工勞動強度，提高企業信息化管理水平，具有非常大的經濟效益和社會效益。

2 系統組成及功能設計

    控制系統結構如圖1所示。系統分為2個級別，即現場級和控制級，通過人機界面（HMI）實現工藝流程顯示與控制。

    系統核心自動化設備選用臺達機電產品。控制級是實現系統功能的關鍵，其主要功能是HMI（人機交互界面）與現場級之間的樞紐層。接受HMI設置的參數或命令，對注水生產過程進行控制，同時將現場狀態輸送到HMI。控制部分由臺達PLC與觸摸屏集成。包括DVP-32EH00R（CPU單元）、DVP-04AD-H（模擬量輸入模塊）、模擬DVP-04DA-H（量輸出模塊）、DOP-A80THTD（觸摸屏）組成。控制級設備安裝在控制室內電控柜。臺達PLC的CPU模塊 DVP-32EH00R其帶有一個RS232和一個RS485通訊接口，DOP-A80THTD觸摸屏帶有1個RS232接口和1個USB接口。觸摸屏通過RS232串口與控制器通訊。

    現場級是實現系統功能的基礎。現場級由智能一體化壓力變送器和變頻器組成。智能一體化壓力變送器選用霍尼韋爾壓力變送器，變頻器選用臺達VFD系列變頻器。現場注水電機1臺160kW、2臺75kW（備用1臺），因此變頻器選用160KW VFD-1600F43A一臺與75KW VFD-750F43A分別組成一拖一和一拖二方案，參見圖2。利用1臺PLC控制2臺變頻器拖動2臺注水電機變頻橫壓注水。現場級控制采用屏蔽電纜連接，智能一體化壓力變送器將壓力信號轉換為4-20mA信號輸入到模擬量輸入模塊DVP-04AD-H，控制器PLC輸出的控制量通過模擬量輸出模塊DVP-04AD-H轉換為4-20mA信號輸入2臺變頻器，實現2臺注水電機的恒壓注水變頻控制。

3 工藝流程及控制系統設計

    橫壓注水工藝自動化系統原理如圖2所示。系統采用三種控制方式：自動運行，手動變頻運行和工頻運行。

    3.1 自動運行

    系統自動啟動第一臺變頻器，利用PID來控制注水泵的注水壓力，如果一臺泵輸出壓力不能滿足壓力要求，系統會自動啟動第二臺變頻器以滿足壓力要求。

    3.2 手動變頻運行
   
    通過控制面板上的按鈕在手動模式下可以單獨啟動變頻器，此方式可以靈活控制變頻輸出。滿足復雜情況下的控制要求。

    3.3 工頻運行

    變頻器啟動電機運行到工頻頻率后，利用接觸器切換電機脫離開變頻器，投入工頻運行，參見圖2。變頻器充當大功率電機的軟啟動器。

    通過以上三種控制方式，可以保證注水電機的正常運行，達到滿足不間斷生產的要求。

    3.4人機界面設計

    工藝流程圖如圖3所示，控制參數如圖4所示，控制器參數設置如圖5所示。
 

圖3工藝流程圖

圖4 控制參數

圖5 控制器參數設置