专利名称：高压注水泵站调控方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及石油注水开采时对注水工艺和高电压大功率离心泵组的工作状态自动化控制和监测技术，是一种高压注水泵站调控方法及其装置。
油田产生的中后期储油层压力下降，需注水增强地层压力采油。现在一些注水泵站靠人工调节泵阀门来控制注水量，不能达到平稳注水的要求，注水生产时率下降，浪费电能和水源，机泵也只设有一般的安全保护，可靠性差。采用高压大功率变频调速技术控制水泵电机可以部分解决这个问题，但大型变频设备依赖于进口，价格昂贵，投入产出比不经济，成本难以回收，在高电压大功率泵站应用存在难度。
目前，另一个解决的方法是在不改动原机泵设备的前提下，采用自动调控泵出口阀门的开度使泵有控制地输出注水压力和注水量，使注水泵能实现在高效区范围内连续运行，达到节约电能和水源、减缓泵阀磨损、提高注水时率和自动化水平。该方法主要根据离心泵的并联工作特性(Q-H)，对泵(电机)工作中的排量(Q)、压力(P)、电机的电流(I)分别拾取信号进行A/D转换，由工控机间接地对泵流量、扬程(干压差)电机的电流等参数进行计算，输出控制信号，再经过D/A转换控制泵出口的电动步进比例调节阀改变开度来调节注水量，达到控制目的。这种方法存在下述的问题一是步进调节泵出口阀开度不能平滑连续，难以达到闭环平稳注水效果，同时由于需进行A/D和D/A转换，硬件电路复杂，降低了可靠性，软件上需进行繁琐的统计、比较等数学计算，注水流量压力跟踪迟延，调控误差较大，难以达到预期效果；二是在注水站改造时需改换比例步进电动阀，增加了投资，改造施工周期长，不利于推广；三是对温度等监测保护还是采用热电隅电桥原理，检测的温度信号送入变换单元进行放大转换为毫安电流信号，再送至PLC进行温度换算，温度误差大，电路可靠性差，难以达到长期运行无故障的目的。
本发明目的是提供一种通过对泵输出的流量、扬程、泵电机电流的监测计算控制泵出口阀开度同步平滑连续调节，实现泵闭环平稳注水，使泵始终处于在高效区运行，达到平稳注水，节约电能和水源，提高生产时率，对原有注水泵站改造无需更换或改动泵阀及原有布局，减少成本、施工简便的高压注水泵站调控方法及其装置。
本发明
如下图1为高压注水泵站调控方法逻辑软件框图；图2为高压注水泵站调控方法注水判断逻辑软件框图；图3为高压注水泵站调控方法高效区运行曲线图；图4为高压注水泵站调控装置示意图。
本发明通过如下技术方法实现根据离心泵的并联工作特性(Q-H)，通过控制泵出口阀的开度来调节注水，间接地对泵流量、扬程(干压差)泵电机的电流等参数进行控制，使泵工作符合设定的参数，保持高效运行，根据需要设定泵出口的干压差，工作时连续采集泵出口干压差，与设定泵出口的干压差比较，控制泵出口电动阀门平滑、连续、同步调整阀门的开闭与开度，使注水平稳。
本发明还通过如下技术方法实现采用变频器控制泵出口电动阀门的电机。
在注水量满足干压压力的同时，据所使用的泵扬程的特性(H-Q)、轴功率(Pn)、泵效(η)之间的关系，调整泵出口阀门的开度，提高闭环自动控制精度，使泵在额定排量和额定扬程下运行保持最大泵效在自动控制注水的同时对泵站安全运行进行自动监测及保护，设置注水压力、流量、泵效以及各泵电机前后轴瓦温度、循环水压力、润滑油压力，储水罐的液位多项测控点，信号由可编程控制器和工业计算机处理，并可进行人工修正，其温度信号直接由计算机程序地址查询识别。
本发明的技术方法结合附图详述如下根据泵站离心泵的并联工作的特性(Q-H)，通过控制泵出口阀的开度来调节注水，间接地对泵流量、扬程(干压差)泵电机的电流等参数进行控制，使泵工作符合设定的参数，保持高效运行，本发明在泵输出口连续采集出口干压差，与根据注水井设定的注水干压差比较，干压变化范围要求保持在+/-0.2MPa，通过变频器控制泵出口电动阀门电机从而平滑连续调整阀门的开闭与开度，在调节过程中要求泵电机电流小于或保持额定值，当干压小于设定注压时，泵出口阀门增大开度；当干压大于设定值时，减少各泵出口阀的开度；当干压等于设定值时，保持原阀门开度，从而实施闭环自动控制，达到平稳注水、节约电能水源的目的。
本发明据泵本身的特性曲线(Q-H)确保泵在额定排量和额定扬程下运行保持最大泵效，在注水量满足干压压力的同时，据泵扬程特性(H-Q)、轴功率(Pn)、泵效(η)之间的关系辅助调控泵出口阀门的开度，提高闭环自动控制精度，使泵能实现在高效区范围内连续运行。泵的效率受注水泵站出口阀门到各区域注水机关阀组的节流损失以及注水井数量、地层渗透率影响，在某一段时间区域内，在客观上满足注水流量Q与干压H曲线，即为各泵电动阀门的可调区，此区域不但满足注水压力的要求，同时对泵效相对影响较小。要泵相对保持在高效区运行，注水量满足干压曲线的同时，还要考虑泵扬程特性(H-Q)、轴功率(Pn)和泵效(η)之间的关系同步调控多台泵出口高压电阀的开度，条件为1．干压差应小于+/-0.2MPa，尽量使泵干压差小，以满足扬程的要求；2．轴功率Pn＜1.732×电机电压×电机电流×η电机效率；3．要求各泵型号相同特性曲线基本相同。
根据泵本身特性曲线和已知条件理论经验计算公式绘出各泵(Q-H)特性、泵效(η)，轴功率曲线，运行中各泵效偏离高效区范围时，无级同步调节各泵出口阀的开闭度，使泵相对保持在高效区运行，一般泵η在75％～90％。
在自动控制注水的同时对泵站安全运行进行自动监测及保护，设置多项测控点，信号由可编程控制器和工业计算机处理，并可进行人工修正，其温度信号直接由计算机程序地址查询识别。测控点及其参数可以包括1．各注水泵进口低压0.05MPa声光报警。
2．各注水泵前、后轴瓦高温70℃报警。
3．各注水电机前、后轴瓦高温70℃报警。
4．各注水电机定子温度110℃报警。
5．润滑油泵出口汇管高压0.3MPa，低压0.1MPa；低压再低至0.08Mpa时启动备用油泵。
6．各机、泵处润滑油管线上设低压0.07MPa报警。
7．注水泵房内冷却水管线设低压0.15MPa报警。
8．两座3000m3储水罐液位连续检测，设高位、低位报警。
9．循环水池设低位报警。
10．注水泵进口低压计量。
11．高压阀组内设干压控制点，干压变化范围要求+/-0.2MPa，通过注水泵房内电动阀的调节，使注水泵的运动参数始终处在高效区运行，在调节过程中要求电流小于电机额定电流。
本发明自动控制注水和泵站安全自动监测及保护的方法可通过图1与图2的调控方法逻辑软件框图和注水判断逻辑软件框图具体实施。
本发明依上述方法设计制作的高压注水泵站调控装置，包括设置在汇管、各注水泵入口、润滑油泵出口汇管、注水泵冷却水管线采集压力和流量传感器，设置在各泵电机上采集电流、电压信号的传感器，设置在储水罐和循环水池上的采集液位信号传感器，上述各传感器组1与可编程控制器2或计算机3相连接控制泵出口电动阀门4调控注水，在泵出口装有测量干压差的传感器5，传感器5将信号送至过程参数控制器6，过程参数控制器6输出端与可编程控制器2和计算机3相连接，过程参数控制器6的输出端及可编程控制器输出端2还连接并控制变频器7，变频器7输出与泵出口电动阀门4连接。
本发明高压注水泵站调控装置还包括在注水泵电机前、后轴瓦，电机定子处装有温度传感器8，各温度传感器8直接与计算机3连接，信号直接由计算机3处理。可编程控制器2和计算机3分别与注水泵电机9和保护报警器10相连接，控制其关停与报警。在泵出口安装的干压差的传感器5为20Mpa/4-20mA的高精度压力传感器，将测量干压物理参数转换为4-20mA电信号送入过程参数控制器6。变频器7可控制一台以上的泵出口电动阀门4同步运行。
以下结合附图详述本发明依上述方法设计制作的高压注水泵站调控装置，包括设置在汇管、各注水泵入口、润滑油泵出口汇管、注水泵冷却水管线采集压力和流量传感器、设置在各泵电机上采集电流、电压信号的传感器、设置在储水罐和循环水池上的采集液位信号传感器，上述各传感器组1与可编程控制器2或计算机3相连接控制泵出口电动阀门4调控注水，在泵出口装有测量干压差的20Mpa/4-20mA高精度干压差压力传感器5，将测量干压物理参数转换为4-20mA电信号送入过程参数控制器6，过程参数控制器6输出端一路连接变频器7控制泵出口电动阀门4无级调速开闭度，一路输出增、减注水开关量信号给可编程控制器2，由可编程控制器2输出正转或反转信号来改变变频器7的输出交流电的相位来改变泵出口电动阀门4缓开或缓闭，还有一路输出与计算机3连接通讯，由计算机3输出水泵效修正值来自动或手动校正泵效，使水泵9保持在高效区运行。上述的变频器7可控制多台的泵出口电动阀门4同步运行。
本发明高压注水泵站调控装置还包括在注水泵电机前、后轴瓦，电机定子处装有温度传感器8，各温度传感器8直接与计算机3连接，信号直接由计算机处理。可编程控制器2和计算机3分别与注水泵电机9和保护报警器10相连接，计算机3处理监控调整各注水泵及整个系统的运行情况，控制其关停与报警，计算机3还对整个系统进行闭环多画面监控，泵站的设备动态工作情况一目了然，无需人工干预。
本发明装置选用的主要部件如下变频器FRN5P9S(日本)、可编程控制器S7-300(德国西门子)、可编程扩展模块(德国西门子)、干压传感器GF-50/20Mpa(中美合资)、压力传感器TKG-E-1(意大利)、温度传感器DS1820型(美国)、液位传感器KYCW07型(美国NOVA)、过程参数控制器KEX-D型(日本RKC)、控制电缆(国产)。
本发明具有以下功能(1)泵站运行出现故障和超出设定值自动及时报警并给予提示保护；(2)自动调控注水；(3)微机显示各功运动参数，主要设备运行状况；(4)自动打印报表及要求参数的各项累计。
本发明优点是可使泵出口阀开度平滑连续调节，使泵闭环平稳注水，始终处于在高效区运行，节约了能源，提高了生产时率，对泵站可进行闭环多画面监控，数据采集、传输、出表自动进行，节约人工，对储水数、液位、各泵入口压力、润滑系统的压力、冷却系统的温度可全面监测，提高了可靠性和准确性，特别是可实现原有注水泵站改造无需更换或改动泵阀及原有布局，成本低、施工简便。
权利要求
1．一种用于石油开采的高压注水泵站调控方法，根据离心泵的并联工作特性(Q-H)，通过控制泵出口阀的开度来调节注水，间接地对泵流量、扬程(干压差)泵电机的电流等参数进行控制，使泵工作符合设定的参数，保持高效运行，其特征在于根据需要设定泵出口的干压差，工作时连续采集泵出口干压差，与设定泵出口的干压差比较，控制泵出口电动阀门平滑、连续、同步调整阀门的开闭与开度，使注水平稳。
2．根据权利要求1所述的高压注水泵站调控方法，其特征在于通过变频器控制泵出口电动阀门的电机。
3．根据权利要求1所述的高压注水泵站调控方法，其特征在于在注水量满足干压压力的同时，据所使用的泵扬程的特性(H-Q)、轴功率(Pn)、泵效(η)之间的关系，调整泵出口阀门的开度，提高闭环自动控制精度，使泵在额定排量和额定扬程下运行保持最大泵效
4．根据权利要求1所述的高压注水泵站调控方法，在自动控制注水的同时对泵站安全运行进行自动监测及保护，设置注水压力、流量、泵效以及各泵电机前后轴瓦温度、循环水压力、润滑油压力，储水罐的液位多项测控点，信号由可编程控制器和工业计算机处理，并可进行人工修正，其特征在于温度信号直接由计算机程序地址查询识别。
5．一种用于石油开采的高压注水泵站的调控装置，包括设置在汇管、各注水泵入口、润滑油泵出口汇管、注水泵冷却水管线采集压力和流量传感器，设置在各泵电机上采集电流、电压信号的传感器，设置在储水罐和循环水池上的采集液位信号传感器，上述各传感器组(1)与可编程控制器(2)或计算机(3)相连接控制泵出口电动阀门(4)组调控注水，其特征在于在泵出口装有测量干压差的传感器(5)，传感器(5)将信号送至过程参数控制器(6)，过程参数控制器(6)输出端与可编程控制器(2)和计算机(3)相连接，过程参数控制器(6)的输出端及可编程控制器(2)输出端还连接并控制变频器(7)，变频器(7)输出与泵出口电动阀门(4)连接。
6．根据权利要求5所述的高压注水泵站调控装置，其特征在于在注水泵电机前、后轴瓦，电机定子处装有温度传感器(8)，各温度传感器(8)直接与计算机(3)连接，信号直接由计算机(3)处理。
7．根据权利要求5所述的高压注水泵站调控装置，其特征在于可编程控制器(2)和计算机(3)分别与注水泵电机和保护报警器(10)相连接，控制其关停与报警。
8．根据权利要求5所述的高压注水泵站调控装置，其特征在于在泵出口安装的干压差的传感器(5)为20Mpa/4-20mA的高精度压力传感器，将测量干压物理参数转换为4-20mA电信号送入过程参数控制器(6)。
9．根据权利要求5所述的高压注水泵站调控装置，其特征在于变频器(7)可同时同步控制一台以上的泵出口电动阀门(4)。
全文摘要
本发明是石油开采注水高压大功率离心泵组的自动控制,用泵出口干压差与设定压差比较,由变频器控制泵出口电动阀门平滑连续同步调整各阀门开度,实现闭环自动控制,在泵出口装有干压差的传感器,将信号送至过程参数控制器6其输出端与可编程控制器相连接,过程参数控制器6的输出端和可编程控制器2输出端连接变频器7,变频器7输出与泵出口电动阀门4连接,本发明可平稳注水,高效运行,闭环监控,提高可靠性和准确性,特别是实现现有泵站改造无需更换泵阀和原有布局,成本低、施工简便。
文档编号E21B43/12GK1315613SQ0010554
公开日2001年10月3日 申请日期2000年3月31日 优先权日2000年3月31日
发明者朱同德, 刘维震 申请人:朱同德, 刘维震