高壓注水泵站調控方法及其裝置的製作方法

2023-12-11 23:04:17

專利名稱：高壓注水泵站調控方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及石油注水開採時對注水工藝和高電壓大功率離心泵組的工作狀態自動化控制和監測技術，是一種高壓注水泵站調控方法及其裝置。
油田產生的中後期儲油層壓力下降，需注水增強地層壓力採油。現在一些注水泵站靠人工調節泵閥門來控制注水量，不能達到平穩注水的要求，注水生產時率下降，浪費電能和水源，機泵也只設有一般的安全保護，可靠性差。採用高壓大功率變頻調速技術控制水泵電機可以部分解決這個問題，但大型變頻設備依賴於進口，價格昂貴，投入產出比不經濟，成本難以回收，在高電壓大功率泵站應用存在難度。
目前，另一個解決的方法是在不改動原機泵設備的前提下，採用自動調控泵出口閥門的開度使泵有控制地輸出注水壓力和注水量，使注水泵能實現在高效區範圍內連續運行，達到節約電能和水源、減緩泵閥磨損、提高注水時率和自動化水平。該方法主要根據離心泵的並聯工作特性(Q-H)，對泵(電機)工作中的排量(Q)、壓力(P)、電機的電流(I)分別拾取信號進行A/D轉換，由工控機間接地對泵流量、揚程(幹壓差)電機的電流等參數進行計算，輸出控制信號，再經過D/A轉換控制泵出口的電動步進比例調節閥改變開度來調節注水量，達到控制目的。這種方法存在下述的問題一是步進調節泵出口閥開度不能平滑連續，難以達到閉環平穩注水效果，同時由於需進行A/D和D/A轉換，硬體電路複雜，降低了可靠性，軟體上需進行繁瑣的統計、比較等數學計算，注水流量壓力跟蹤遲延，調控誤差較大，難以達到預期效果；二是在注水站改造時需改換比例步進電動閥，增加了投資，改造施工周期長，不利於推廣；三是對溫度等監測保護還是採用熱電隅電橋原理，檢測的溫度信號送入變換單元進行放大轉換為毫安電流信號，再送至PLC進行溫度換算，溫度誤差大，電路可靠性差，難以達到長期運行無故障的目的。
本發明目的是提供一種通過對泵輸出的流量、揚程、泵電機電流的監測計算控制泵出口閥開度同步平滑連續調節，實現泵閉環平穩注水，使泵始終處於在高效區運行，達到平穩注水，節約電能和水源，提高生產時率，對原有注水泵站改造無需更換或改動泵閥及原有布局，減少成本、施工簡便的高壓注水泵站調控方法及其裝置。
本發明


如下圖1為高壓注水泵站調控方法邏輯軟體框圖；圖2為高壓注水泵站調控方法注水判斷邏輯軟體框圖；圖3為高壓注水泵站調控方法高效區運行曲線圖；圖4為高壓注水泵站調控裝置示意圖。
本發明通過如下技術方法實現根據離心泵的並聯工作特性(Q-H)，通過控制泵出口閥的開度來調節注水，間接地對泵流量、揚程(幹壓差)泵電機的電流等參數進行控制，使泵工作符合設定的參數，保持高效運行，根據需要設定泵出口的幹壓差，工作時連續採集泵出口乾壓差，與設定泵出口的幹壓差比較，控制泵出口電動閥門平滑、連續、同步調整閥門的開閉與開度，使注水平穩。
本發明還通過如下技術方法實現採用變頻器控制泵出口電動閥門的電機。
在注水量滿足幹壓壓力的同時，據所使用的泵揚程的特性(H-Q)、軸功率(Pn)、泵效(η)之間的關係，調整泵出口閥門的開度，提高閉環自動控制精度，使泵在額定排量和額定揚程下運行保持最大泵效在自動控制注水的同時對泵站安全運行進行自動監測及保護，設置注水壓力、流量、泵效以及各泵電機前後軸瓦溫度、循環水壓力、潤滑油壓力，儲水罐的液位多項測控點，信號由可編程控制器和工業計算機處理，並可進行人工修正，其溫度信號直接由電腦程式地址查詢識別。
本發明的技術方法結合附圖詳述如下根據泵站離心泵的並聯工作的特性(Q-H)，通過控制泵出口閥的開度來調節注水，間接地對泵流量、揚程(幹壓差)泵電機的電流等參數進行控制，使泵工作符合設定的參數，保持高效運行，本發明在泵輸出口連續採集出口乾壓差，與根據注水井設定的注水幹壓差比較，幹壓變化範圍要求保持在+/-0.2MPa，通過變頻器控制泵出口電動閥門電機從而平滑連續調整閥門的開閉與開度，在調節過程中要求泵電機電流小於或保持額定值，當幹壓小於設定注壓時，泵出口閥門增大開度；當幹壓大於設定值時，減少各泵出口閥的開度；當幹壓等於設定值時，保持原閥門開度，從而實施閉環自動控制，達到平穩注水、節約電能水源的目的。
本發明據泵本身的特性曲線(Q-H)確保泵在額定排量和額定揚程下運行保持最大泵效，在注水量滿足幹壓壓力的同時，據泵揚程特性(H-Q)、軸功率(Pn)、泵效(η)之間的關係輔助調控泵出口閥門的開度，提高閉環自動控制精度，使泵能實現在高效區範圍內連續運行。泵的效率受注水泵站出口閥門到各區域注水機關閥組的節流損失以及注水井數量、地層滲透率影響，在某一段時間區域內，在客觀上滿足注水流量Q與幹壓H曲線，即為各泵電動閥門的可調區，此區域不但滿足注水壓力的要求，同時對泵效相對影響較小。要泵相對保持在高效區運行，注水量滿足幹壓曲線的同時，還要考慮泵揚程特性(H-Q)、軸功率(Pn)和泵效(η)之間的關係同步調控多臺泵出口高壓電閥的開度，條件為1．幹壓差應小於+/-0.2MPa，儘量使泵幹壓差小，以滿足揚程的要求；2．軸功率Pn＜1.732×電機電壓×電機電流×η電機效率；3．要求各泵型號相同特性曲線基本相同。
根據泵本身特性曲線和已知條件理論經驗計算公式繪出各泵(Q-H)特性、泵效(η)，軸功率曲線，運行中各泵效偏離高效區範圍時，無級同步調節各泵出口閥的開閉度，使泵相對保持在高效區運行，一般泵η在75％～90％。
在自動控制注水的同時對泵站安全運行進行自動監測及保護，設置多項測控點，信號由可編程控制器和工業計算機處理，並可進行人工修正，其溫度信號直接由電腦程式地址查詢識別。測控點及其參數可以包括1．各注水泵進口低壓0.05MPa聲光報警。
2．各注水泵前、後軸瓦高溫70℃報警。
3．各注水電機前、後軸瓦高溫70℃報警。
4．各注水電機定子溫度110℃報警。
5．潤滑油泵出口匯管高壓0.3MPa，低壓0.1MPa；低壓再低至0.08Mpa時啟動備用油泵。
6．各機、泵處潤滑油管線上設低壓0.07MPa報警。
7．注水泵房內冷卻水管線設低壓0.15MPa報警。
8．兩座3000m3儲水罐液位連續檢測，設高位、低位報警。
9．循環水池設低位報警。
10．注水泵進口低壓計量。
11．高壓閥組內設幹壓控制點，幹壓變化範圍要求+/-0.2MPa，通過注水泵房內電動閥的調節，使注水泵的運動參數始終處在高效區運行，在調節過程中要求電流小於電機額定電流。
本發明自動控制注水和泵站安全自動監測及保護的方法可通過圖1與圖2的調控方法邏輯軟體框圖和注水判斷邏輯軟體框圖具體實施。
本發明依上述方法設計製作的高壓注水泵站調控裝置，包括設置在匯管、各注水泵入口、潤滑油泵出口匯管、注水泵冷卻水管線採集壓力和流量傳感器，設置在各泵電機上採集電流、電壓信號的傳感器，設置在儲水罐和循環水池上的採集液位信號傳感器，上述各傳感器組1與可編程控制器2或計算機3相連接控制泵出口電動閥門4調控注水，在泵出口裝有測量幹壓差的傳感器5，傳感器5將信號送至過程參數控制器6，過程參數控制器6輸出端與可編程控制器2和計算機3相連接，過程參數控制器6的輸出端及可編程控制器輸出端2還連接並控制變頻器7，變頻器7輸出與泵出口電動閥門4連接。
本發明高壓注水泵站調控裝置還包括在注水泵電機前、後軸瓦，電機定子處裝有溫度傳感器8，各溫度傳感器8直接與計算機3連接，信號直接由計算機3處理。可編程控制器2和計算機3分別與注水泵電機9和保護報警器10相連接，控制其關停與報警。在泵出口安裝的幹壓差的傳感器5為20Mpa/4-20mA的高精度壓力傳感器，將測量幹壓物理參數轉換為4-20mA電信號送入過程參數控制器6。變頻器7可控制一臺以上的泵出口電動閥門4同步運行。
以下結合附圖詳述本發明依上述方法設計製作的高壓注水泵站調控裝置，包括設置在匯管、各注水泵入口、潤滑油泵出口匯管、注水泵冷卻水管線採集壓力和流量傳感器、設置在各泵電機上採集電流、電壓信號的傳感器、設置在儲水罐和循環水池上的採集液位信號傳感器，上述各傳感器組1與可編程控制器2或計算機3相連接控制泵出口電動閥門4調控注水，在泵出口裝有測量幹壓差的20Mpa/4-20mA高精度幹壓差壓力傳感器5，將測量幹壓物理參數轉換為4-20mA電信號送入過程參數控制器6，過程參數控制器6輸出端一路連接變頻器7控制泵出口電動閥門4無級調速開閉度，一路輸出增、減注水開關量信號給可編程控制器2，由可編程控制器2輸出正轉或反轉信號來改變變頻器7的輸出交流電的相位來改變泵出口電動閥門4緩開或緩閉，還有一路輸出與計算機3連接通訊，由計算機3輸出水泵效修正值來自動或手動校正泵效，使水泵9保持在高效區運行。上述的變頻器7可控制多臺的泵出口電動閥門4同步運行。
本發明高壓注水泵站調控裝置還包括在注水泵電機前、後軸瓦，電機定子處裝有溫度傳感器8，各溫度傳感器8直接與計算機3連接，信號直接由計算機處理。可編程控制器2和計算機3分別與注水泵電機9和保護報警器10相連接，計算機3處理監控調整各注水泵及整個系統的運行情況，控制其關停與報警，計算機3還對整個系統進行閉環多畫面監控，泵站的設備動態工作情況一目了然，無需人工幹預。
本發明裝置選用的主要部件如下變頻器FRN5P9S(日本)、可編程控制器S7-300(德國西門子)、可編程擴展模塊(德國西門子)、幹壓傳感器GF-50/20Mpa(中美合資)、壓力傳感器TKG-E-1(義大利)、溫度傳感器DS1820型(美國)、液位傳感器KYCW07型(美國NOVA)、過程參數控制器KEX-D型(日本RKC)、控制電纜(國產)。
本發明具有以下功能(1)泵站運行出現故障和超出設定值自動及時報警並給予提示保護；(2)自動調控注水；(3)微機顯示各功運動參數，主要設備運行狀況；(4)自動列印報表及要求參數的各項累計。
本發明優點是可使泵出口閥開度平滑連續調節，使泵閉環平穩注水，始終處於在高效區運行，節約了能源，提高了生產時率，對泵站可進行閉環多畫面監控，數據採集、傳輸、出表自動進行，節約人工，對儲水數、液位、各泵入口壓力、潤滑系統的壓力、冷卻系統的溫度可全面監測，提高了可靠性和準確性，特別是可實現原有注水泵站改造無需更換或改動泵閥及原有布局，成本低、施工簡便。
權利要求
1．一種用於石油開採的高壓注水泵站調控方法，根據離心泵的並聯工作特性(Q-H)，通過控制泵出口閥的開度來調節注水，間接地對泵流量、揚程(幹壓差)泵電機的電流等參數進行控制，使泵工作符合設定的參數，保持高效運行，其特徵在於根據需要設定泵出口的幹壓差，工作時連續採集泵出口乾壓差，與設定泵出口的幹壓差比較，控制泵出口電動閥門平滑、連續、同步調整閥門的開閉與開度，使注水平穩。
2．根據權利要求1所述的高壓注水泵站調控方法，其特徵在於通過變頻器控制泵出口電動閥門的電機。
3．根據權利要求1所述的高壓注水泵站調控方法，其特徵在於在注水量滿足幹壓壓力的同時，據所使用的泵揚程的特性(H-Q)、軸功率(Pn)、泵效(η)之間的關係，調整泵出口閥門的開度，提高閉環自動控制精度，使泵在額定排量和額定揚程下運行保持最大泵效
4．根據權利要求1所述的高壓注水泵站調控方法，在自動控制注水的同時對泵站安全運行進行自動監測及保護，設置注水壓力、流量、泵效以及各泵電機前後軸瓦溫度、循環水壓力、潤滑油壓力，儲水罐的液位多項測控點，信號由可編程控制器和工業計算機處理，並可進行人工修正，其特徵在於溫度信號直接由電腦程式地址查詢識別。
5．一種用於石油開採的高壓注水泵站的調控裝置，包括設置在匯管、各注水泵入口、潤滑油泵出口匯管、注水泵冷卻水管線採集壓力和流量傳感器，設置在各泵電機上採集電流、電壓信號的傳感器，設置在儲水罐和循環水池上的採集液位信號傳感器，上述各傳感器組(1)與可編程控制器(2)或計算機(3)相連接控制泵出口電動閥門(4)組調控注水，其特徵在於在泵出口裝有測量幹壓差的傳感器(5)，傳感器(5)將信號送至過程參數控制器(6)，過程參數控制器(6)輸出端與可編程控制器(2)和計算機(3)相連接，過程參數控制器(6)的輸出端及可編程控制器(2)輸出端還連接並控制變頻器(7)，變頻器(7)輸出與泵出口電動閥門(4)連接。
6．根據權利要求5所述的高壓注水泵站調控裝置，其特徵在於在注水泵電機前、後軸瓦，電機定子處裝有溫度傳感器(8)，各溫度傳感器(8)直接與計算機(3)連接，信號直接由計算機(3)處理。
7．根據權利要求5所述的高壓注水泵站調控裝置，其特徵在於可編程控制器(2)和計算機(3)分別與注水泵電機和保護報警器(10)相連接，控制其關停與報警。
8．根據權利要求5所述的高壓注水泵站調控裝置，其特徵在於在泵出口安裝的幹壓差的傳感器(5)為20Mpa/4-20mA的高精度壓力傳感器，將測量幹壓物理參數轉換為4-20mA電信號送入過程參數控制器(6)。
9．根據權利要求5所述的高壓注水泵站調控裝置，其特徵在於變頻器(7)可同時同步控制一臺以上的泵出口電動閥門(4)。
全文摘要
本發明是石油開採注水高壓大功率離心泵組的自動控制,用泵出口乾壓差與設定壓差比較,由變頻器控制泵出口電動閥門平滑連續同步調整各閥門開度,實現閉環自動控制,在泵出口裝有幹壓差的傳感器,將信號送至過程參數控制器6其輸出端與可編程控制器相連接,過程參數控制器6的輸出端和可編程控制器2輸出端連接變頻器7,變頻器7輸出與泵出口電動閥門4連接,本發明可平穩注水,高效運行,閉環監控,提高可靠性和準確性,特別是實現現有泵站改造無需更換泵閥和原有布局,成本低、施工簡便。
文檔編號E21B43/12GK1315613SQ0010554
公開日2001年10月3日 申請日期2000年3月31日 優先權日2000年3月31日
發明者朱同德, 劉維震 申請人:朱同德, 劉維震