李文武 王棚 王玉銳（大慶油田有限責(zé)任公司第十采油廠）

截至目前，朝陽溝油田集輸系統(tǒng)運行脫水站3座，轉(zhuǎn)油站20座，安裝各型機泵540余臺，機泵運行模式有工頻模式、變頻模式和伺服模式。目前共計投運低壓變頻器74臺，其中摻水系統(tǒng)85臺機泵中的32臺為變頻模式運行(由16臺一拖二低壓變頻器驅(qū)動)，剩余的53臺摻水機泵采用控制閥門開度來實現(xiàn)出站壓力的調(diào)節(jié)，該控制方式造成電動機傳導(dǎo)的大量能量損失在調(diào)節(jié)閥門上，致使摻水泵組運行效率下降、電能浪費較多。

1 伺服控制技術(shù)

1.1 伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成

伺服控制系統(tǒng)主要由控制單元、驅(qū)動單元、通訊接口單元、編碼器及相應(yīng)的反饋檢測器件構(gòu)成?？刂茊卧捎脭?shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，DSP集成了高速的程序編輯器、大容量的程序/參數(shù)存儲器、數(shù)字/模擬信號的處理和轉(zhuǎn)換器，能夠為電動機編制復(fù)雜的運行程序。驅(qū)動單元采用以智能功率模塊為核心的驅(qū)動電路，應(yīng)用矢量控制技術(shù)調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，同時電路中還設(shè)置有過電壓、過電流、過熱、欠壓、缺相等故障檢測、報警和保護回路；另外，在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。通訊接口單元與控制單元集成為一體，負責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸和接收，根據(jù)用戶的需要，還可實現(xiàn)設(shè)備的遠程控制及遠程監(jiān)視。

1.2 伺服控制技術(shù)原理

伺服控制技術(shù)結(jié)合了目前最新的三相交流異步電動機矢量控制技術(shù)，即交流異步電動機磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。如圖1所示，若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標，利用從靜止坐標軸系到旋轉(zhuǎn)坐標軸系之間的變換，則可以把定子電流中的勵磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量分解成兩個垂直的直流變量，并分別進行控制：d軸分量控制轉(zhuǎn)子磁通，在控制轉(zhuǎn)子磁通恒定的前提下，電動機轉(zhuǎn)矩與定子電流的q軸分量成正比，通過控制電動機的定子電流分量，實現(xiàn)正交解耦控制，從而對異步交流電動機的位置、轉(zhuǎn)速、加速度、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進行精確的控制[1]。

圖1 矢量控制技術(shù)原理

1.2.1 閉環(huán)自動控制邏輯關(guān)系

依托強大的核心處理器，伺服控制系統(tǒng)可根據(jù)地面工程各個系統(tǒng)對控制參數(shù)的不同要求來編制閉環(huán)自動控制邏輯關(guān)系，以摻水系統(tǒng)閉環(huán)自動控制為例，如圖2所示，伺服控制系統(tǒng)以摻水出站壓力恒定為目標制定邏輯關(guān)系圖[2]。

1.2.2 伺服控制柜

伺服控制柜由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、編碼器和輸入/輸出模塊組成，其中控制系統(tǒng)是伺服控制柜的核心。以摻水系統(tǒng)伺服控制柜為例，如圖3所示，柜內(nèi)DSP控制系統(tǒng)負責(zé)目標基準值的設(shè)定，并接收和處理采集設(shè)備提供的運行參數(shù)，繪制機泵的閉環(huán)自動化控制程序，在由驅(qū)動單元對電動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)摻水系統(tǒng)出站壓力恒定的控制目標。

圖2 摻水系統(tǒng)閉環(huán)自動控制邏輯關(guān)系

圖3 伺服控制柜結(jié)構(gòu)

1.2.3 控制參數(shù)反饋設(shè)備

根據(jù)現(xiàn)場運行要求，在關(guān)鍵工藝管理位置安裝控制參數(shù)反饋設(shè)備，對于不同的地面工程系統(tǒng)需配套安裝不同的設(shè)備，例如：外輸系統(tǒng)根據(jù)控制液量的要求需安裝流量計；摻水系統(tǒng)根據(jù)出站壓力恒定的控制要求需安裝壓力變送器。

1.2.4 編碼器

在電動機風(fēng)扇側(cè)的轉(zhuǎn)子上安裝編碼器，實時采集電動機轉(zhuǎn)速參數(shù)，安裝方式采用電動機后軸中心孔攻絲加裝延長軸方式，同時延長風(fēng)扇罩，如圖4。

1.3 伺服控制技術(shù)的特點

伺服控制技術(shù)有閉環(huán)自動控制、數(shù)據(jù)遠傳、遠程控制、穩(wěn)定性好、安全性高、節(jié)能效果好等特點。

1.3.1 自動化程度更高

依托功能完備的控制單元（DSP），實現(xiàn)了高速的運算能力，可根據(jù)現(xiàn)場運行需要，編制復(fù)雜的電動機運行流程，崗位員工只需設(shè)定目標基準值，剩余的調(diào)控操作由伺服控制系統(tǒng)根據(jù)編寫的程序流程自動完成。另外，DSP集成了大容量的程序存儲器、數(shù)字/模擬信號的處理和轉(zhuǎn)換器，可實時刷新、顯示、保存和備份大量的運行參數(shù)。

圖4 編碼器安裝示意圖

1.3.2 具備強大的數(shù)據(jù)傳輸和接收能力

伺服控制系統(tǒng)的通訊接口單元支持多種通訊接口，如USB、RS232、RS485、Ethernet/IP、CANOPEN等，方便數(shù)據(jù)的備份、打印、傳輸，根據(jù)用戶要求，可輕松實現(xiàn)遠程監(jiān)視和控制。

1.3.3 完善的監(jiān)控功能

伺服控制器有完善的監(jiān)控功能，可以實時的顯示電動機的電流、頻率和轉(zhuǎn)速；同時，還可根據(jù)現(xiàn)場需要顯示采集的系統(tǒng)參數(shù)，如壓力、流量等。

1.3.4 安全性可靠性更高

伺服控制系統(tǒng)可承受3倍過載能力，可達到300%～350%之間的額定轉(zhuǎn)矩，能在10s以內(nèi)完成電動機的啟動。

1.3.5 無諧波污染問題

伺服控制系統(tǒng)自研發(fā)之初便內(nèi)置了濾波單元，解決多次諧波產(chǎn)生的危害，此外伺服系統(tǒng)信號傳輸均采用差分方式，即減少諧波的產(chǎn)生又避免了外界的干擾，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2 伺服控制技術(shù)試驗情況

2.1 試驗站點建設(shè)現(xiàn)狀

朝23#轉(zhuǎn)油站于1992年建成投產(chǎn)，安裝摻水機泵4套，運行模式為冬季運二備二、夏季運一備三，1#、2#、4#摻水泵型號JZSB60-50×5，3#摻水泵型號GI65-50×5，額定排量60m3/h，揚程250m，電動機型號YB2-280M-2，功率90kW，額定電流160/92.4A，摻水系統(tǒng)冬季排量55m3/h，夏季排量47m3/h，工頻模式下平均泵壓約為2.5MPa，管壓1.4MPa，電動機電流103A，冬季日耗電3420kWh（運行2臺），夏季日耗電1720kWh（運行1臺）。

朝24#轉(zhuǎn)油站于1992年建成投產(chǎn)，安裝摻水機泵4套，運行模式為冬季運二備二、夏季運一備三，1#、2#、3#摻水泵型號 JZSB60-50×5，4#摻水泵型號100ZSD-67×4，額定排量60m3/h，揚程250m，電動機型號YB2-280M-2，額定功率90kW，額定電流160.7/92.5A，摻水系統(tǒng)冬季排量60m3/h，夏季排量50m3/h，工頻模式下平均泵壓約為2.6 MPa，管壓1.5MPa，電動機電流120A，冬季日耗電4650kWh（運行2臺），夏季日耗電2270kWh（運行1臺）。

2.2 伺服控制柜運行情況

目前2座站安裝的伺服控制器和其驅(qū)動的摻水電動機運轉(zhuǎn)安全、穩(wěn)定，伺服模式運行的摻水電動機為閉環(huán)自動化運行，實現(xiàn)了該站摻水系統(tǒng)出站壓力恒定的調(diào)控目標，朝23#、朝24#轉(zhuǎn)油站摻水系統(tǒng)出站壓力分別恒定在1.4MPa和1.5MPa。

另外，伺服模式下運行的摻水泵出口閥門為全開狀態(tài)，從而消除了截流損失，降低了摻水系統(tǒng)運行能耗，提高了機泵運行效率。

2.3 伺服控制技術(shù)應(yīng)用效果

通過朝23#轉(zhuǎn)油站進行現(xiàn)場能耗測試，測試結(jié)果表明伺服模式驅(qū)動的2#、4#摻水電動機較試驗前的工頻模式節(jié)約了大量電能，2#摻水電動機日節(jié)約電量623.5kWh，4#摻水電動機日節(jié)約電量653.1 kWh，節(jié)電率分別達到37.1%和37.8%，按照伺服控制器運行300d計算，年可減少耗電18.7×104kWh，節(jié)約電費11.11萬元，節(jié)能效果較好。電動機運行情況見表2，節(jié)能效果見表3。

表2 朝23#轉(zhuǎn)油站2#、4#摻水電動機運行情況

表3 朝23#轉(zhuǎn)油站2#摻水電動機節(jié)能效果

2.4 朝24#轉(zhuǎn)油站伺服控制技術(shù)應(yīng)用效果

通過對2#、4#摻水電動機進行現(xiàn)場能耗情況測試，得出2臺摻水電動機節(jié)電率分別為39.7%和40.6%。測試結(jié)果顯示，伺服模式運行的2#、4#摻水電動機較試驗前的工頻模式日減少耗電分別為895.93kWh和918.05kWh，按照伺服控制器年運行300天計算，年可節(jié)約電量26.87×104kWh，節(jié)約電費15.97萬元。電動機運行情況見表4，節(jié)電效果見表5。

表4 朝24#轉(zhuǎn)油站2#、4#摻水電動機運行情況

表5 朝24#轉(zhuǎn)油站4#摻水電動機節(jié)能效果

3 結(jié)論及認識

1）伺服技術(shù)滿足電動機高效低耗運行的控制要求。伺服控制器驅(qū)動的電動機，其出力調(diào)節(jié)快速、精確，可消除截流損失，提高集輸系統(tǒng)運行效率，節(jié)約大量電能。同時，該設(shè)備可記錄、保存大量機泵運行參數(shù)，并具有電動機軟啟動功能，電動機啟動電流和機械沖擊小，實現(xiàn)了機泵的全壽命運行。

2）伺服技術(shù)順應(yīng)數(shù)字化油田建設(shè)趨勢。伺服控制器是一種集數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和自動化于一體的高端節(jié)能控制設(shè)備，可以滿足油田聯(lián)合站、轉(zhuǎn)油站各型電動機的閉環(huán)自動化控制要求。適合在聯(lián)合站進行合崗改造時，對外輸、摻水、供水等系統(tǒng)機泵的閉環(huán)自動控制，通過其功能強大的通訊接口單元，在中控崗即可實現(xiàn)機泵的遠程控制和監(jiān)視。

[1]敖榮慶,袁坤.伺服系統(tǒng)[M].北京:航空工業(yè)出版社,2006.

[2]郭慶鼎,王成元.交流伺服系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1994.