變頻器在海洋石油平臺甲醇注入系統中的應用

于祥春 關敬民 魏鵬飛 高 珂 張維維

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

變頻器在海洋石油平臺甲醇注入系統中的應用

于祥春 關敬民 魏鵬飛 高 珂 張維維

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

介紹了變頻器在海洋石油平臺甲醇注入系統中的應用。主要闡述了甲醇注入系統的工作原理、變頻器的硬件配置和軟件編程。

變頻器 海洋石油平臺 閉環控制 甲醇注入 節能

在海洋石油平臺采氣生產過程中，低溫高壓的工藝條件使井口和管線內生成天然氣水合物。天然氣一旦形成水合物，易造成閥門、管線低洼地帶及管線彎頭等處堵塞，嚴重影響天然氣的集輸和正常生產[1～3]。為了防止水合物的生成，天然氣生產過程中通常向管道中注入甲醇。預防水合物生成的效果取決于注入甲醇的位置和甲醇在管線中同氣液流的均勻接觸。甲醇應在生成水合物的位置之前加入，具體應根據輸氣管線中的壓力和溫度分布進行確定，在氣體被水飽和的條件下，水合物可能在低于水合物生成溫度的任何一點形成[4～6]。

以往，海洋石油平臺采氣生產多采用直接泵入式注醇方式來預防水合物的生成。這種方式無法平滑地調節注入量，甲醇在管線中同氣液流不能均勻接觸，計量也比較粗放，造成大量的浪費[7～9]。本項目首次將變頻器應用到甲醇注入系統中，利用變頻器調節注入量，并結合溫度、壓力等參數的檢測實現閉環控制。這種閉環的變頻注入方式，既可以根據實際情況隨時平滑地調節注入量，也可很方便地實現精細化計量，節約能源，有效防止水合物的生成，提高油田采收率。

1 甲醇注入工作原理簡介①

甲醇注入橇系統的工藝流程如圖1所示。甲醇注入橇主要由甲醇儲存罐、注入泵、進出口過濾器、變頻器及控制閥等組成。系統中的兩臺甲醇儲存罐和兩臺注入泵各自互為備用，因此變頻器也是互為備用。儲罐頂部設有氮封，壓力范圍1～6kPa，自動調節，保證設備的安全。根據海管的溫度和壓力參數，通過變頻器平滑地調節注入泵的流量，從而調節甲醇的注入量。

圖1 甲醇注入橇系統的工藝流程

2 變頻控制系統硬件設計

變頻控制電氣系統的接線如圖2所示，兩路三相380V(AC) 50Hz電源通過主接線端子引入，經過斷路器和熔斷器到達變頻器主電路進線口，變頻器主電路出線口即連接電機。該系統采用兩套變頻器，互為備用。控制系統電源通過萬能轉換開關分別從兩路主電源入口取得電能。控制系統回路增設變壓器，變換出220V(AC) 50Hz供給兩個空間加熱器和兩個風扇使用，24V(DC)供給變頻器控制回路使用。

圖2 變頻控制電氣系統接線示意圖

控制系統采用西門子G120系列變頻器，具體配置如下：

a. 兩套控制單元CU240E-2 DP，型號6SL3244-0BB12-1PA1；

b. 兩塊MMC存儲卡，型號6SL3254-0AM00-0AA0；

c. 兩塊PM240功率模塊，型號6SL3224-0BE33-0UA0；

d. 兩塊基本操作面板BOP-2，型號6SL3255-0AA00-4CA1。

SINAMICS G120系列變頻器為交流電機提供經濟的高精度的速度/轉矩控制。按照尺寸的不同(外形尺寸FSA～FSGX)功率范圍覆蓋0.37～250.00kW，廣泛適用于變頻驅動的應用場合。功率模塊由控制單元里的微處理器控制。采用的高性能IGBT電機電壓脈寬調制技術和可選擇脈沖頻率，使得電機運行極為靈活可靠。多方面的保護功能也為電機提供了更高一級的保護。

各控制模塊之間的通信采用Profibus-DP網絡,它具有高速、低成本的特點，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。它與Profibus-PA(Process Automation)、Profibus-FMS(Fieldbus Message Specification)共同組成了Profibus標準。Profibus-DP用于現場層的高速數據傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發送輸出信息。總線循環時間必須要比主站程序循環時間短。除周期性用戶數據傳輸外，Profibus-DP還提供智能化設備所需的非周期性通信以實現組態、診斷和報警功能[10，11]。

3 變頻系統程序設計

西門子G120系列變頻器編程調試有兩種方式：使用操作面板BOP-2編程調試和采用STARTER軟件編程調試。操作面板BOP-2編程方式為按鍵式輸入編程，速度太慢。STARTER軟件編程利用個人計算機進行編程，編程速度較快，本項目即采用STARTER軟件編程調試方式。

變頻系統控制程序主要實現的功能有系統緊急停車、手動式變頻調速、自動式變頻調速、主電機和軸流風扇同步控制、故障報警及故障報警復位等。下面就簡單介紹系統緊急停車、專家列表、模擬量輸入、模擬量輸出、數字量輸入及數字量輸出等主要功能模塊[11]。

3.1系統緊急停車程序功能模塊

圖3為系統緊急停車程序功能模塊，主要程序段編寫如下：

Pulse輸入r722.5

OFF1輸入r20189.0

OFF2輸入r722.5 and 1

系統停車是系統編程的關鍵，無論程序如何編寫、邏輯如何設定，停車邏輯必須先設定好，原因是無論發生任何狀況，都可以通過停車程序來停止電機的轉動，防止危險狀況的發生。

圖3 系統緊急停車程序功能模塊

3.2專家列表

圖4為STARTER軟件的專家列表，此列表內包含了所有的參數地址。參數的編號由4個或5個數字組成。以“r”開頭的參數是寫保護參數，只用于顯示某個數值，而無法通過它寫入另一個數值。以“p”開頭的參數值可直接修改，值為第一行中“最大”和“最小”范圍內的值，如果該值有物理單位，方括號里會給出。

變頻器的程序編制需要首先匹配電機，設置電機參數。在專家列表里需要對p300開始的電機基本參數進行設置，本項目采用的主要程序段編制如下：

圖4 STARTER軟件專家列表

p300選擇Induction motor(rotating)

p304輸入400Vrms，p305輸入57Arms

p306輸入1，p307輸入30kW

p310輸入50Hz，p311輸入1472rpm

專家列表除了可以進行基本參數的設置，還可用于其他功能圖模塊無法實現的復雜邏輯功能的程序編制。例如本項目中用于主電機和軸流電機的同步邏輯，主電機和軸流風機同時啟動，延時10s，查看軸流風機狀態，如果狀態為1(運行)則主電機不停，如果狀態為0(停止)則主電機停止。主要程序段編制如下：

P20158輸入r20063//異或門輸出

P20159輸入10000ms//延時10s

P20161輸入5//PDF0功能塊使能

P20046.2輸入r20160.0//或門輸入

P20062.0輸入R52.2//主電機運行狀態

P20062.1輸入R722.0//軸流風機運行狀態

P20064輸入5//功能塊使能

3.3模擬量輸入輸出程序功能模塊

圖5、6分別為模擬量輸入、輸出程序功能模塊，該項目中主要是現場和遠程調頻。

圖5 模擬量輸入功能模塊

圖6 模擬量輸出功能模塊

3.4數字量輸入程序功能模塊

圖7為數字量輸入程序功能模塊，該項目主要就是實現變頻器的啟動、停止、復位及使能等功能。主要程序段編制如下：

DI0輸入p20062.1

DI1輸入p20188.0

DI2輸入p20046.1

DI3輸入p2104.0

DI4輸入p844.0

DI5輸入p852.0

圖7 數字量輸入功能模塊

3.5數字量輸出程序功能模塊

圖8為數字量輸出程序功能模塊，該項目主要是實現變頻器、軸流風扇及散熱風扇等的啟動、停止及報警等指示和控制功能。主要程序段編制如下：

Relay output0輸入r52.3

Relay output1輸入r52.2

Relay output2輸入r52.1

圖8 數字量輸出功能模塊

4 結束語

變頻式甲醇注入橇在某海洋石油平臺投入使用后，運行良好。用戶反饋良好，電能損耗大幅降低，經濟效益明顯提高。該變頻式甲醇注入橇是針對海洋石油平臺自身需求特點，自主研發的專用高效節能化學藥劑注入裝置。變頻器在甲醇注入系統中的應用，既節約了成本又方便了計量，為所在油田有效利用天然氣資源、提高油田采收率、控制油田操作成本及清潔生產等方面作出了一定的貢獻。

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ApplicationofFrequencyConverterinMethanolInjectionSystemofOffshoreOilPlatform

YU Xiang-chun, GUAN Jing-min, WEI Peng-fei, GAO Ke, ZHANG Wei-wei

(CNOOCOffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

2016-04-26(修改稿)

TH862+.6

B

1000-3932(2016)07-0732-05