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压力变送器组成的变频恒压供水系统在沙漠油田的应用

来源:上海自仪公司作者:上海自仪公司网址:http://www.shsaic.net

为满足生活、供热、供暖等的用水需求,利用PLC及变频器对供水系统进行改造。将供水管网压力变送器的压力信号传输给PLC,进行PID调节改变变频器的输出频率,控制水泵机组的供水流量,实现了自动控制和调节供水。该系统能根据现场实际用水(外输管线压力)自动调节水量,维持恒定水压;同时,还能根据检测到的清水罐液位,自动启停水泵,具有系统工作稳定、节能效果明显、便于维修扩展、性价比高等优点。

石西油田作业区位于古尔班通古特沙漠腹部,生产基地生活给水系统由水源井、水处理装置、供水控制装置组成。原供水控制装置驱动4台功率为22kW的立式离心给水泵,供水能力2 400m3/d,供水系统的压力设定值为0.30~0.45MPa,当出水管汇压力低于设定的下限,2台清水泵工频运行;出水管汇压力处于设定范围内时,1台清水泵工频运行;当压力高于设定的上限压力时,2台清水泵停止运行。其余2台清水泵作为备用泵。

随着沙漠油田滚动开发,基地生活区扩大增容,为满足生活、供热、供暖等的用水需求,原供水控制装置启停运行频繁,人员管理难度大,电气故障逐渐增多且耗电量高。为使供水系统具有自动运行、恒压供水、节约电能的性能,需要对其进行优化改造。

1 改造方案与功能

1.1 改造方案

采用由可编程逻辑控制器(PLC)及变频器组成的变频恒压供水控制系统可以满足上述改造要求。系统由S7-200PLC、ACS400变频器、软启动器、压力变送器、液位变送器和水泵机组共同组成完整的闭环控制系统。

1.2 检测与控制

        1)信号检测。在系统控制正常工作过程中,需要对供水管网的水压信号、水池的液位信号进行检测,以确保系统正常稳定的运行。

        a)供水管网的水压信号。该信号反映的是用户管网内部的水压值,是该系统所有反馈信号中非常重要的信号之一。该信号为模拟量,需PLC扩展模拟量模块来接收,PLC对该值进行PID处理后,将处理后的数据传送给变频器,从而控制水泵转速,实现供水系统的恒压供水。

b)清水罐液位信号。该信号主要对水罐液位进行监测,由PLC扩展模拟量模块来接收。当水位达到PLC设定下限时,PLC停止水泵的工作,从而防止水罐水量不足时水泵电机发生空转,保护系统及电机的安全稳定工作,同时可对水罐液位高低限进行报警。

2)恒压控制。恒压供水系统的控制部分一般包含在供水控制柜中,主要包括PLC,变频器,软启动器和电控设备。PLC通过系统程序汇总来自各部分的信息,并进行分析计算,从而得出对整个系统执行部件的控制方案,通过变频器、软启动器对水泵机组进行相应的控制。恒压供水系统的控制流程如图1所示,该系统将供水管网上压力变送器的压力信号传输给PLC,对输入值与设定值进行比较,通过PID调节改变变频器的输出频率,控制水泵机组的供水流量,从而达到恒压供水的目的。

2 恒压供水工作流程

变频恒压供水系统的工作流程分为系统启动、PID调节、增泵运行、减泵运行四个流程。

1)系统启动。PLC执行系统内部程序,启动变频器,变频器带动其中工作时间非常短的水泵运行,系统对供水水压与压力设定值进行比较计算,控制变频器的输出频率,从而改变水泵电机的转速。当检测到的供水压力值与系统设定值相等时,系统达到稳定,此时变频器的输出频率和水泵电机的转速都达到一个固定值,这期间水泵电机工作在调速状态。

恒压供水系统控制流程示意

2)PID调节。当用户端用水量增加时,供水管网压力降低,PLC根据压力变化进行PID调节,变频器输出频率增加,水泵电机转速增大同时流量增大,使供水压力值与系统设定值相等。反之,当用户端用水量减小时,系统通过PID运算,非常终控制电机转速减小,减小系统供水流量,使供水压力值与系统设定值相等。

3)增泵运行。当用户用水量增加较多,变频器的输出频率达到频率设定上限,水泵电机满负荷运行,系统供水管网的供水压力仍然低于系统设定值,则满足增泵条件。变频器处于变频固定式工作模式,此时PLC控制软启动器带动4个水泵中运行时间非常短的水泵启动,使该水泵工频运行,同时PLC接收来自压力PID控制器的检测信号,控制

变频器的输出频率,改变变频泵的转速,重新使系统达到稳定的工作状态。如果用户的用水量仍然增加,达到增加水泵的条件时,则继续按上述步骤增加水泵,直到系统达到新的稳定状态为止。

4)减泵运行。当用户用水量减小,且变频器的输出频率已经达到变频器频率的设定下限时,系统供水管网的水压仍然高于系统的压力设定值,则满足减泵条件。此时,PLC接到信号,关闭工频运行中运行时间非常长的水泵,同时PLC继续根据压力变送器检测到的信号运行,控制变频器的输出频率,调整水泵电机转速,使系统达到稳定状态。如果用户水量继续减小,达到减少水泵条件时,则继续按照上述步骤减少水泵,直到达到平衡为止。

3 应用效果

利用PLC及变频器对供水系统的外输水压、清水罐液位进行信号监测,控制4台水泵的变频运行、软启动以及工频运行,实现了自动控制和调节供水。该系统能根据现场实际用水(外输管线压力)自动调节水量,维持恒定水压,满足生活用水、供热、供暖的需要;同时,还能根据检测到的清水罐液位,自动启停水泵,具有系统工作稳定、节能效果明显、便于维修扩展、性价比高等优点。