一种油田用的水源井变频节能监控系统的制作方法

一种油田用的水源井变频节能监控系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于节能监控电器设备【技术领域】，具体提供了一种油田用的水源井变频节能监控系统，包括电潜泵、驱动电潜泵的异步电动机以及与电潜泵连接的出水管线。上述井口出水管线上安装有压力变送器，所述压力变送器测得出水压力将其转化为4～20mA电信号；压力变送器电连接PLC的I/O模块；PLC的I/O模块电连接变频器的操作面板控制变频器，变频器连接控制异步电动机；本发明的有益效果：本发明提供的这种油田用的水源井变频节能监控系统，节能效果显著，同时减少了供电线路的损耗，增加了变压器的带载能力；减小了电潜泵、异步电动机自身的机械冲击损耗。为油田正常化生产提供了可靠的节能监控设备。
【专利说明】一种油田用的水源井变频节能监控系统

【技术领域】
[0001] 本发明属于节能监控电器设备【技术领域】，具体涉及一种油田用的水源井变频节能 监控系统。

【背景技术】
[0002] 目前，公知的油田水源井主要存在的问题有： 现有水源井井下电潜泵型号为130ZTQ20-400?700,电潜泵异步电动机YQS200-45至 YQS200-75,最小异步电动机功率45KW，最大异步电动机75KW，出水管柱采用Φ 76 X 5. 5油 管，电缆采用35 mm2?50mm2防水电缆，地面控制柜采用自偶降压启动，控制柜功率为55? 75KW，由于大部分水源井的泵容量大、管线设计规格小，造成泵容量与管线设计规格不相匹 配的缺陷。电潜泵的实际负荷远小于其额定功率，处于大马拉小车的工况，造成了节流运行 或反输回流等现象，而且功率因数小，因没有采取相应的节能措施，浪费电能十分严重。
[0003] 电潜泵控制方法简单，采用自偶降压启动，可靠性差，电路经常出现故障，控制方 法单一，直接影响水源井向地面供水的正常进行。
[0004] 水源井因未装水位监测装置，动液面无法检测，每次修井时，只能通过出水管观察 静液面，每年因水抽干不能自动断开电，导致烧坏的电潜泵占每年整个水源井电潜泵损坏 的65%左右，电潜泵空转不安全，同时还存在着浪费大量电能的问题，结果导致修井周性期 短、费用高，修井工劳动强度大，水源井供水不足，向地层注水量减少，严重影响了原油产量 的完成。


【发明内容】

[0005] 本发明的目的是克服现有技术中由于油田水源井电潜泵没有采取节能措施，造成 电能浪费严重以及水抽干时电潜泵空转不能自动断电的问题。
[0006] 为此，本发明提供了一种油田用的水源井变频节能监控系统，包括电潜泵、驱动电 潜泵的异步电动机以及与电潜泵连接的出水管线，上述出井口水管线上安装有压力变送 器，所述压力变送器测得出水压力将其转化为4?20mA电信号；压力变送器电连接PLC 的I/O模块；PLC的I/O端模块连接变频器操作面板控制变频器，变频器连接控制异步电动 机； 所述电潜泵连接的井口出水管线设置有液位传感器，所述液位变送器与PLC的I/O模 块电连接； 所述井口出水管线上设置有与PLC的I/O模块电连接的流量计。
[0007] 所述PLC2的I/O模块上设置有7个输入端口和10个输出端口。
[0008] 所述的7个输入端口包括2个数字量输入端口和5个模拟量输入端口；所述的10 个输出端口包括9个数字量输出端口和1个模拟量输出端口。
[0009] 变频器为ABB变频器，采用ACS510系列，额定容量为55?90KW。
[0010] 本发明的有益效果：本发明提供的这种油田用的水源井变频节能监控系统，节能 效果显著，使电潜泵功率因数提高到0.95以上，综合节电率达到20%以上，同时减少了供电 线路的损耗，增加了变压器的带载能力；在开、停机时减小了电流对电网的冲击以及管内压 力对管网系统的冲击；减小了电潜泵、异步电动机自身的机械冲击损耗。确保了水源井正常 供水、向地层注水的正常进行，保证了生产的畅通无阻，为油田正常化生产提供了可靠的节 能监控设备。
[0011] 以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

【专利附图】

【附图说明】
[0012] 图1是恒压控制系统的基本特征图示意图； 图2是管网及电潜泵的运行特性曲线图； 图3是电潜泵的控制流程示意图； 图4是变频器控制接线图； 图5是PLC及扩展模块外围接线图； 图6是本发明的控制回路接线图； 图7是本发明的端子接线图。
[0013] 附图标记说明：1、压力变送器；2、PLC ;3、变频器；4、异步电动机；5、电潜泵；6、软 启动器。

【具体实施方式】
[0014] 实施例1 : 为了使水源井的供水系统稳定运行，供水系统必须同时满足扬程特性和管阻特性。扬 程特性是以系统管路中的阀门开度不变为前提，表明电潜泵在某一转速下扬程Η与流量Q 之间的关系曲线。扬程特性所反映的是扬程Η与用水流量Q间的关系H=f(Q)。
[0015] 管阻特性是以电潜泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下扬程Η与流量Q 之间的关系曲线。管阻特性反映了电潜泵的能量用来克服电潜泵系统的水位及压力差、水 在管道中流动阻力的变化规律。改变阀门开度，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向 用户的供水能力。
[0016] 因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的关系H=f(Qc)。扬程特性曲 线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图1所示，a曲线表示管阻特性，b曲 线表示扬程特性，a曲线与b曲线的交点为供水系统的工作电，即A点。在这一点，用水流 量Qu和供水系统的供水流量Qc处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻 特性，系统稳定运行。
[0017] 在供水系统中，通常以控制流量为目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控 制法。
[0018] 阀门控制法是在电潜泵异步电动机转速保持不变的前提下，通过调节阀门开度来 调节流量的，其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量。因此，管阻将随阀门开度的 改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水工况中，需水量是变化的，若阀门开度在一段 时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。
[0019] 转速控制法是在阀门开度保持不变的前提下，通过改变驱动电潜泵的异步电动机 的转速来调节流量，其实质是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随电潜泵转速 的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制，其工作原理是根据用水 工况变化自动地调整电潜泵异步电动机的转速，使管网压力始终保持恒定，当水量增大时 异步电动机加速，水量减小时异步电动机减速。
[0020] 由流体力学可知，电潜泵的输出功率P与管网的水压Η及出水流量Q的乘积成正 比；电潜泵的转速η与出水流量Q成正比；管网的水压Η与出水流量Q的平方成正比。由上 述关系可知，电潜泵的输出功率Ρ与转速η的三次方成正比，S卩：当用阀门控制时，若供水量 变大，水泵工作在E点，如图2所示，流量为Q1，扬程为H0,当供水量从Q1减小到Q2时，必 须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从b3移到bl，扬程特性曲线不变。而扬程 则从H0上升到H1，运行工况点从E点移到F点，此时电潜泵的输出功率正比于HI XQ2。当 用转速控制法时，若采用恒压（H0)，变速泵（n2)供水，管阻特性曲线为b2,扬程特性变为曲 线n2,工作点从E点移到D点。此时电潜泵输出功率正比于H0XQ2,由于H1>H0,所以当用 阀门控制流量时，有正比于（H1 - HO) XQ2的功率被浪费掉，并且随着阀门的不断关小，阀 门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是H1增大，而被浪 费的功率要随之增加。所以转速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果 显著。
[0021 ] 为了克服现有油田水源井电潜泵没有采取节能措施，造成电能浪费严重以及水抽 干时电潜泵不能自动断电的问题。本发明提供了一种油田用的水源井变频节能监控系统， 包括电潜泵5,驱动电潜泵5的异步电动机4以及与电潜泵5连接的出水管线，上述井口出 水管线上安装有压力变送器1，所述压力变送器1测得出水压力将其转化为4?20mA电信 号；压力变送器1电连接PLC2的I/O模块；PLC2的I/O模块电连接变频器3的控制面板控 制变频器，变频器3连接控制异步电动机4 ;所述电潜泵5连接的井口出水管线设置有液位 变送器，所述液位变送器与PLC2的I/O模块电连接，通过液位传感器监测水面，避免因水 抽干不能自动断开电，导致烧坏电潜泵；为了实时监测出水管线内的出水量，在所述井口出 水管线上设置有与PLC2的I/O模块电连接的流量计。
[0022] 本发明采用转速控制法控制流量，如图3所示，压力变送器1、可编程控制器（PLC) 2、变频器3、电潜泵5以及驱动电潜泵5的异步电动机4 一起组成的一个完整的闭环调节 系统，其中，电潜泵5与异步电动机4做成为一体。该恒压控制系统通过安装在管道上的压 力变送器1实时地测量参考点的压力，检测出水管线的出水压力，并由压力变送器1将其转 换为4一20mA的电信号，此检测信号是实现恒压控制的关键参数。由于电信号为模拟量，故 必须通过PLC 2的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID 运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器1操作面板的 输入信号，控制变频器1的输出频率，从而控制异步电动机4的转速，进而控制电潜泵5连 接的出水管线的水量，最终使管道压力恒定，实现变频恒压控制。
[0023] 变频恒压供水系统的具体控制流程如下：系统通电，按照接收到的有效启动信号， 首先启动变频器3,拖动电潜泵5工作，根据压力变送器1测得的出水管线的实际压力和设 定压力的偏差值调节变频器3的输出频率，控制异步电动机4的转速，当输出压力达到设定 值，异步电动机4转速稳定到某一定值，异步电动机4工作在该调速运行状态下。另外，当变 频器出现故障时，异步电动机4与软启动器6电连接，变频软起动能使电潜泵5起动平稳， 减少对电网和机械设备的冲击，也避免了传统供水中的水锤现象。
[0024] 变频恒压控制系统的控制流程图可以分为执行机构、信号检测机构、控制机构三 大部分。（1)信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括出水压力信号、水位 信号、流量信号和报警信号。出水压力是恒压控制的主要反馈信号，此信号是模拟信号，被 读入PLC的I/O模块时，需进行A/D转换；另外还需对上限压力和下限压力进行检测。水位 信号反映电潜泵5的进水是否充足。信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止 电潜泵5空抽而损坏异步电动机4和电潜泵5,此信号来自液位变送器，该液位变送器设置 在电潜泵5连接的井口出水管线上，并与PLC的I/O模块电连接；报警信号反映系统是否正 常运行，电潜泵的异步电动机4是否过载、变频器3是否有异常，该信号为开关量信号；流量 信号用来检测通过出水管线的水的流量，该信号来自流量计，该流量计设置在井口的出水 管线上，并与PLC的I/O模块电连接。
[0025] (2)控制机构：包括控制器（P1C系统）2、变频器3和电控设备三个部分。控制器 是整个变频恒压控制系统的核心，控制器直接对系统中的压力、水位、报警信号进行采集， 对来自人机界面和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制 方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即电潜泵）进行控制；变频器3是对电潜泵 5进行转速控制的单元，其跟踪控制器送来的控制信号改变电潜泵的运行频率，完成对电潜 泵5的转速控制。
[0026] (3)执行机构：执行机构由电潜泵5组成，由变频调速器根据压力的变化控制异步 电动机4的转速，以维持出水管线的压力恒定。
[0027] 本实施例提供的这种变频节能监控系统，能动态监测水源井水位、出水压力和流 量以及电潜泵电参数，水位到高限时电潜泵自动开始抽水，水位到低水位时电潜泵自动停 止抽水，水不会干抽烧坏电潜泵5,延长了水源井修井周期，降低了修井工的劳动强度。能自 动24小时维持恒定压力，并根据压力信号自动无级调整压力，电潜泵5功率因数可提高到 0. 95以上，改善了电潜泵5供电电源质量，保证了电潜泵5的功率与实际负荷相匹配，达到 系统节能运行的目的，综合节电率达到20%以上，同时减少了供电线路的损耗，增加了变压 器带载能力。
[0028] 实施例2 : 本发明所采用的变频器3为ABB变频器，ACS510系列，额定容量为55?90KW，如图4 所示，基于PLC的变频节能装置ACS510变频器控制图：端子5,6接PLC的Μ、I端子，接收 PLC对变频器输出频率控制的模拟量信号，端子7,9接PLC的E+，E-端子，发送变频器的频 率信号，端子13经由变频启动KM2按键和端子10相连，10, 13号端子是变频器的启动信号； 端子14、15和高速/低速转换开关SA2相连，10, 14号端子是变频器的高速选择功能，10， 15号端子是变频器的低速选择功能，变频器的高速、低速选择功能均由SA2来控制。端子 16经由变频复位开关和端子10相连，10,16号端子是故障复位功能，故障状态时，闭合复位 开关，可进行故障复位。端子20接变频停止灯后与002零线相连，端子21接变频运行灯后 与002零线相连，端子24接变频故障灯后与002零线相连，25、27端子接PLC故障灯的信号 端子，25, 27号端子是继电器输出端子，它输出时给PLC提供一个故障信号，保护变频器， 使其停止工作。就地控制状态下，交流接触器1、3号端子闭合，变频器启动，驱动电潜泵工 作。同时可以使用SA2转换开关，控制其输出的频率。变频器工作时，变频运行指示灯亮， 变频停止指示灯灭。停止时，指示灯状态相反。变频器故障时，会有故障代码显示在操作面 板上，同时故障指示灯亮。
[0029] 基于就地控制变频启停、远程工频启动、备用运行启停的控制回路接线图如图6 所示，SA1的1，2号接通，可以就地控制启停。
[0030] (1)变频器：按下SB2,变频启动，220V交流继电器1KA得电，驱动交流接触器KM2， 并实现自锁。交流接触器KM2接通变频器主回路的同时，KM2的常开点给变频器ACS510 - 个启动信号，变频器开始工作，驱动电潜泵运行。按下SB1，变频器停止工作。
[0031] (2)软启动器：按下SB4软启动器运行，220V交流继电器2KA得电，并实现自锁。 2KA的常开点闭合，软启动器得到启动信号后运行。当软启动器启动完成时，K20，K2端子常 开点闭合，旁路交流接触器ΚΜ1得电切换，启动过程结束。按下SB3,软启动器停止，旁路交 流接触器断开。变频软起动能使电潜泵起动平稳，减少对电网和机械设备的冲击，也避免了 传统供水中的水锤现象。
[0032] 本实施例提供的变频节能装置可方便地实现电潜泵的软起动，电潜泵通过变频器 从0- 50ΗΖ缓慢加速起动，减少了电潜泵因突然高速起动所带来的影响，减少了直接起动 时起动电流对电网的冲击。
[0033] 初始运行时，必须观察异步电动机的转向，使之符合要求。如果转向相反，则可以 改变电源的相序来获得正确的转向。为提高变频器的功率因数，同时防止异步电动机与变 频器相距较远时增加振动，异步电动机与变频器之间连接有电抗器。当采用手动控制时， 必须采用软启动的方式以降低启动异步电动机瞬间的电流，避免电流过大而烧坏异步电动 机。
[0034] 实施例3 : 变频节能装置中实现恒压控制的主体控制设备是PLC，本系统采用西门子公司S7-200 系列PLC，具有标准的RS485通讯端口和1路Ethernet (以太网），RJ45网络端口，它体积 小，执行速度快，抗干扰能力强，性能优越。PLC主要是用于实现变频节能装置的自动控制， 要完成以下功能：自动控制电潜泵的投入运行；在启动时有软启动功能；对电潜泵的操作 有手动/自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用；系统有完善的报警功能并能显 示运行状况。电路的合理性和程序的可靠性直接关系到整个系统的运行性能。
[0035] 如图5所示，基于PLC的I/O模块端口分配及外围接线图，所述PLC上设置有7个 输入端口和10个输出端口。所述的7个输入端口包括2个数字量输入端口和5个模拟量 输入端口；PLC的EM231输入/输出模块上的A+，A- ;B+，B- ;C+，C- ;D+，D-四个端子分别接 多功能电表信号，对应的分别是主回路的电压，电流，功率和功率因数。E+，E-接变频器频 率反馈的信号，F+，F-接井口出水管线上压力变送器测得的出水压力信号，G+，G-接水源井 液位变送器测得的水位信号。其中，2个数字量输入端口为D+，D-和E+，E-。5个模拟量输 入端口 分别为 A+，A- ;B+，B- ;C+，C_ ;F+，F ;G+, G-。
[0036] 所述的10个输出端口包括9个数字量输出端口和1个模拟量输出端口。
[0037] 其中 9 个数字量输出端口为 L0. (TL0. 4、Μ0· 1、Μ0· 2、Μ0· 4、Μ0· 5, L0. (TL0. 4 分别 输出异步电动机的工频/变频运行信号；MO. 1输出水位超限控制信号；MO. 2输出变频器故 障报警信号；M0. 4输出报警电铃信号；M0. 5输出变频器复位控制信号；1个模拟量输出端 口为M、I，其输出的模拟信号用于控制变频器的输出频率。
[0038] L0. 0得电时，PLC处于远程工作状态，ΚΑΙ得电，并通过内部变量来驱动KA2和 ΚΑ3, ΚΑ2和ΚΑ3分别为变频启动和工频启动。变频故障时，故障信号传给L0. 2, ΚΑ2失电， 变频器停止输出，ΚΑ4备用。L0. 1得电，PLC中CPU处于本地工作状态，ΚΑ1失电，通过现场 按钮对变频器，软启动器进行控制。端子M，I接变频器模拟量输入端子AI2,以控制变频器 的输出频率。
[0039] 基于端子的接线图如图7所示，端子TB1的U、V、W、N接三相四线制380V至QS0,端 子TB2的U2、V2、W2接至变频器，端子TB3的U4、V4、W4接至备用软启动，端子TB4的24V+、 24V-、L7、N接自开关电源和至空开QS7,端子TB5的F+、F-(压力信号)、G+、G-(液位信号)、 485+、485_ (流量信号）接至PLC。
[0040] 目前的供液方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显的节 能效果和稳定可靠的控制方式得到了广范的应用。水源井变频节能监控系统是针对油田水 源井电潜泵没有采取节能措施，水抽干时电潜泵不能自动断电工作等实际问题，研制出的 新概念水源井变频节能监控系统。一是节能效果显著，功率因数可提高到0.95以上，综合 节电率达到20%以上，同时减少了供电线路的损耗，增加了变压器的带载能力；二是在开、 停机时能减小电流对电网的冲击以及出水管线内压力对管网系统的冲击；三是能减小电潜 泵、异步电动机自身的机械冲击损耗。为油田水源井正常化生产提供了可靠的节能监控系 统。
[0041] 本实施例没有具体描述的部分都属于本【技术领域】的公知常识和公知技术，如有需 要，我们可提供参考资料！ 以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与 本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种油田用的水源井变频节能监控系统，包括电潜泵（5)、驱动电潜泵（5)的异步电 动机（4)以及与电潜泵（5)连接的出水管线，其特征在于：上述井口出水管线上安装有压力 变送器（1)，所述压力变送器（1)测得出水压力将其转化为4?20mA电信号；压力变送器 (1) 电连接PLC (2)的I/O模块；PLC (2)的I/O模块连接变频器（3)操作面板控制变频 器，变频器（3 )连接控制异步电动机（4 ); 所述电潜泵（5 )连接的井口出水管线设置有液位变送器，所述液位变送器与PLC (2 )的 I/O模块电连接； 所述井口出水管线上设置有与PLC (2)的I/O模块电连接的流量计。
2. 如权利要求1所述的一种油田用的水源井变频节能监控系统，其特征在于：所述PLC (2) 上设置有7个输入端口和10个输出端口。
3. 如权利要求2所述的一种油田用的水源井变频节能监控系统，其特征在于：所述的7 个输入端口包括2个数字量输入端口和5个模拟量输入端口；所述的10个输出端口包括9 个数字量输出端口和1个模拟量输出端口。
4. 如权利要求1所述的一种油田用的水源井变频节能监控系统，其特征在于：变频器 (3) 为ABB变频器，采用ACS510系列，额定容量为55?90KW。
【文档编号】F04B49/06GK104088781SQ201410321177
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】高宝元 申请人:中国石油集团川庆钻探工程有限公司工程技术研究院