一種智能控制節能注水系統的製作方法

2023-04-24 21:43:26 1

本實用新型涉及一種油田注水系統，尤其是涉及一種智能控制節能注水系統。

背景技術：

油田注水開發是我國陸上油田開發的一種重要方式，它能有效地補充地層能量，提高原油採收率，是石油穩產高產的一個重要手段，在原油生產中具有舉足輕重的地位。然而，注水系統的耗電量是巨大的，約佔我國油田生產用電的一半。隨著油田綜合含水率的上升，注水能耗還將急劇上升。而且，現存的注水系統普遍為人工操作，當系統特性發生變化時，不能及時改變注水系統的工作狀態，加大了能耗，造成很大的能量損失。因此儘早儘快開發出油田注水系統的自動化節能技術，在油田節能降耗工作中具有重大意義。

注水泵普遍不支持直接帶載啟動。注水泵的日常維護或易損件的更換，需要經常進行起(停)泵操作，由於壓力較高不能直接帶載起泵，必須來回倒換流程，打開回流閥卸載後才能啟動，從而導致回流閥損壞頻繁；耗費人力、浪費能耗、啟停動作複雜，並給操作人員帶來一定的安全隱患；油田各採油作業區注水現場，注水泵普遍採用軟起控制，恆壓或恆流注水需要人工調節回流閥，從而導致,耗費人力、能耗浪費大,壓力精度差，調壓難度大。

油田是一個複雜對象，其中最重要的特性之一，就是時變性，在開採過程中，地層能量不斷衰減為保持地層能量平衡常規方式是對油井注水。注水壓力的高低是決定油田合理開發和地面管線及相關設備的重要參數，特別在後期開發中，注水井增多、注水工藝設計和機電設備配置比較寬裕，加之地質情況變化較大、開並井數的增減洗井及供水不足的影響，經常引起注水壓力波動，注水量不均勻和穩定。其後果是在壓力低時，注水量滿足不了油井開發的需要，必然造成油層壓力下降注水壓力過高浪費能源，超注的結果導致水淹水竄。注水壓力控制不當將給油田生產和管理帶來許多麻煩，因此油田要求恆壓注水。但是由於儲油地層的壓力及油氣水分布在不斷發生變化，其數值很難準確預測，因而也就難以控制。由於歷史和技術等原因，為了滿足油田開發的需要，採用保險係數大的方案，即在工藝和機電設備，的配置上都按照油田最大可能的需求設計，特別是在注水系統設備中尤為突出。油田注水設備多採用高壓柱塞泵匹配高功率電機，注水系統經常是在效率低下的「大馬拉小車」狀態運行，造成電能的極大浪費，電能損失高達50％以上。此外，控制手段落後，注水壓力靠泵出口閘門手動控制，泵與電機匹配難以達到在泵的最佳工況點運行。

技術實現要素：

本實用新型為了解決現有注水系統效率低、耗電量高、操作複雜的技術問題，提供一種效率高、耗電量低的智能控制節能注水系統。

本實用新型提供的智能控制節能注水系統，包括變頻器、軟啟動器、注水泵主電機、主電機冷卻風機、開關電源、塑殼斷路器、微型斷路器、工頻輸出交流接觸器、變頻輸出交流接觸器、軟啟旁路交流接觸器、風機使能交流接觸器、第一熱繼電器和第二熱繼電器，塑殼斷路器輸入端連接變壓器或配電櫃，塑殼斷路器輸出端通過電纜線或銅排接入變頻器輸入端和軟啟動器輸入端及軟啟旁路交流接觸器輸入端；

變頻器外接直流電抗器，變頻器輸出端通過電纜線或銅排接入變頻輸出交流接觸器輸入端，變頻輸出交流接觸器輸出端通過電纜線或銅排接入輸出電抗器的輸入端，輸出電抗器的輸出端通過電纜線或銅排接入注水泵主電機的輸入端子；

軟啟旁路交流接觸器輸出端子通過銅排或電纜與第一熱繼電器輸入端連接，第一熱繼電器輸出端用銅排或電纜與軟啟動器輸出端並聯，並聯後用銅排或電纜接入工頻輸出交流接觸器，工頻輸出交流接觸器輸出端用銅排或電纜與變頻輸出交流接觸器並聯接入注水泵主電機的輸入端子；

塑殼斷路器輸出端通過電纜接入微型斷路器，微型斷路器輸出端用電纜接入風機使能交流接觸器輸入端，風機使能交流接觸器輸出端與第二熱繼電器輸入端連接，第二熱繼電器輸出端用電纜接入主電機冷卻風機；

塑殼斷路器輸出端通過電纜線接入AC220V電源到開關電源的輸入端，開關電源的輸出端子輸出DC24V到PLC控制器；PLC控制器的輸出端與變頻器連接。

優選地，塑殼斷路器輸出端連接有防雷器。

本實用新型的有益效果是，應用該系統不但能降低注水泵的耗電量、降低無功功率、優化注水泵的平滑啟動和停止過程，為系統提供過流、過壓、過載、過熱、短路、缺相等保護，提高電機的功率因數、延長設備的使用壽命、增大電網的供電容量，實現電網的增容改造，通過控制器、HMI人機、通訊等系統集成技術，從而實現注水管網的節能、增效自動化、智能化、可視化運行。

採用PLC和觸控螢幕技術智能控制變頻器,實現變頻器的頻率變化控制電機的轉速，而改變注水泵的出口壓力和流量。實驗證明智能控制節能注水系統節能降耗效果顯著。智能控制節能注水系統具有經濟有效的特點以及很強的實用性。在變頻自動狀態下，設備通過微機(PLC)檢測壓力或流量傳感器信號並根據設定的參數進行運算，結合注水泵的工作狀況，自動對注水泵的運行進行調節，從而使注水壓力或流量穩定、可靠，且能達到很好的節能目的。

本實用新型進一步的特徵，將在以下具體實施方式的描述中，得以清楚地記載。

附圖說明

圖1是一次迴路的示意圖；

圖2是二次迴路的示意圖；

圖3是操作單元的人機界面示意圖。

圖中符號說明：

1.變頻器，2.軟啟動器，3.防雷器，4.注水泵主電機，5.主電機冷卻風機，6.開關電源，QF1表示塑殼斷路器，QF2表示微型斷路器，TA表示電流互感器，KM1表示工頻輸出交流接觸器，KM2表示變頻輸出交流接觸器，KM3表示軟啟旁路交流接觸器，KM4表示風機使能交流接觸器，FR1表示第一熱繼電器，FR2表示第二熱繼電器。

具體實施方式

如圖1和2所示，智能控制節能注水系統包括一次迴路和二次迴路，一次迴路包括電源單元、變頻側單元、工頻側單元、電機冷卻風機單元。二次迴路包括電源單元、控制單元。

一、一次迴路如下：

1、電源單元：

從變壓器或配電櫃用電纜線接入塑殼斷路器QF1輸入端，在塑殼斷路器QF1輸出端接入防雷器3。從塑殼斷路器QF1輸出端通過電纜線或銅排接入變頻器1輸入端和軟啟動器2輸入端及軟啟旁路交流接觸器KM3輸入端。

2、變頻側單元：

變頻器1外接直流電抗器端子接入直流電抗器，變頻器1輸出端通過電纜線或銅排接入變頻輸出交流接觸器KM2輸入端，變頻輸出交流接觸器KM2輸出端通過電纜線或銅排接入輸出電抗器的輸入端，輸出電抗器的輸出端通過電纜線或銅排接入注水泵主電機4的輸入端子。

3、工頻側單元：

軟啟旁路交流接觸器KM3輸出端子通過銅排或電纜與第一熱繼電器FR1輸入端連接，第一熱繼電器FR1輸出端用銅排或電纜與軟啟動器2輸出端並聯，並聯後用銅排或電纜接入工頻輸出交流接觸器KM1，工頻輸出交流接觸器KM1輸出端用銅排或電纜與變頻輸出交流接觸器KM2並聯接入注水泵主電機4的輸入端子。

4、電機冷卻風機單元：

從塑殼斷路器QF1輸出端通過電纜接入微型斷路器QF2,微型斷路器QF2輸出端用電纜接入風機使能交流接觸器KM4輸入端，風機使能交流接觸器KM4輸出端與第二熱繼電器FR2輸入端連接，第二熱繼電器FR2輸出端用電纜接入主電機冷卻風機5的輸入端子上。

二、二次迴路如下：

電源單元：從塑殼斷路器QF1輸出端通過電纜線接入AC220V電源到開關電源6的輸入端，開關電源6的輸出端子輸出DC24V到接線端子排輸入端上，接線端子排輸出端通過電纜線接入PLC控制器。PLC控制器的輸出端與變頻器1連接。

控制單元工作時又分為工頻模式和變頻模式，兩者之間具有護鎖功能。變頻模式又分為自動和手動，同樣兩者之間具有護鎖功能。

下面描述工作過程：

如圖3所示，智能控制節能注水系統在正常情況下，在操作單元控制面板上，「變頻/工頻」切換開關選擇「變頻」模式。

「自動/手動」切換開關選擇「自動」模式。「自動」模式，又分為遠程和本地。「遠程/本地」轉換開關選擇「本地」，在操作單元控制面板上的人機界面(觸控螢幕)操作畫面上給定一個壓力或流量值，這個值通過人機界面RS485接口用信號電纜傳送到PLC控制器。「遠程/本地」轉換開關選擇「遠程」，在遠程上位機上給定一個壓力或流量值，這個值通過上位機的TCP接口端通過工業乙太網傳送到PLC控制器。PLC控制器接收到給定值，當按下「運行」按鈕時，PLC的CPU經過PID控制過程，將信號通過PLC的RS485接口端信號電纜連接RS485接口端傳送到變頻器1中，變頻器1輸出一定的頻率電壓給注水泵主電機4，注水泵主電機4帶動注水泵，注水泵出口壓力或流量通過變送器信號線傳送接線端子排輸入端上，接線端子排輸出端通過信號電纜傳送到PLC控制器模擬量輸入模塊或PLC控制器的RS485接口端，PLC控制器的CPU將返回信號與給定值，經過PID運算處理，將輸出頻率值通過PLC控制器的RS485接口端信號電纜連接RS485接口端傳送到變頻器1中，如此反覆，直至達到穩定的給定值為止。

「自動/手動」切換開關選擇「手動」模式，在操作單元控制面板上的人機界面(觸控螢幕)操作畫面上給定一個頻率值，這個值通過人機界面RS485接口用信號電纜傳送到PLC控制器，由PLC控制器通過RS485接口端信號電纜連接RS485接口端傳送到變頻器1中，變頻器1輸出給定頻率電壓傳送給注水泵主電機4，注水泵主電機4帶動注水泵運行。直至按下「停止」按鈕，通過信號電纜給1#交流接觸器控制端信號，使工頻輸出交流接觸器KM1斷開，同時變頻器1控制端接收停止信號，變頻器1停止運行，注水泵主電機4斷電，注水泵停止運行。

當變頻器保養維修或出現故障時，在操作單元控制面板上，「變頻/工頻」切換開關選擇「工頻」模式，同時系統給出警告提示變頻器故障等。當按下「運行」按鈕時，運行信號傳送到接線端子排輸入端上，再從接線端子排輸出端通過信號電纜傳送到軟啟動器2控制輸入端，軟啟動器2接收到啟動信號，軟啟動器2運行，將電壓傳送給注水泵主電機4，注水泵主電機4帶動注水泵運行，注水泵運行平穩後，軟啟動器2控制端通過信號電纜給軟啟旁路交流接觸器KM3控制端信號，使軟啟旁路交流接觸器KM3導通，將電壓傳給注水泵主電機4，注水泵主電機4帶動注水泵運行，注水泵平穩運行。直至按下「停止」按鈕，通過信號電纜給變頻輸出交流接觸器KM2、軟啟旁路交流接觸器KM3交流接觸器控制端信號與軟啟動器2控制端接收停止信號，使軟啟動器2停止運行與變頻輸出交流接觸器KM2、軟啟旁路交流接觸器KM3斷開，注水泵主電機4斷電，注水泵停止運行。

以上所述僅對本實用新型的優選實施例而已，並不用於限制本實用新型，對於本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡是在本實用新型的權利要求限定範圍內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應在本實用新型的保護範圍之內。