液力耦合器調速的高壓注水泵復雜控制方案研究

張偉剛

（海洋石油工程股份有限公司設計院）

液力耦合器是一種節能且可靠性高的調速設備，尤其適用于大功率的旋轉設備，例如高壓注水泵或天然氣壓縮機。 筆者介紹某海洋石油平臺上應用液力耦合器調速的不同型號高壓注水泵并聯運行的控制方案，指出了類似應用應考慮的問題和解決方法。

1 系統流程和控制要點介紹

油田注水系統是一種通過往油層中注入高壓力的生產水或海水， 從而有效補充地層能量，確保油田高產穩產的工藝措施，是油田開發過程中的重要生產流程。 圖1 為某海上油田中心平臺的生產水處理和注水系統流程。 低壓生產水經核桃殼過濾器F-3001A～P 處理后達到注水標準，在儲罐T-4101 內進行緩沖，隨后經由高壓注水泵組P-4102A～E 加壓輸送到各個井口平臺注入地層。如果低壓生產水量不足，可由來自FPSO（浮式生產儲油卸貨裝置） 的高壓注水系統經調節閥LV-4104B 進行補充。

圖1 某海上油田中心平臺生產水處理和注水系統流程

在該系統中有多個控制對象（注水緩沖罐的液位、注水總管的壓力和單泵的出口壓力）和可控變量（回流調節閥LV-4104A 的開度、高壓補水調節閥LV-4104B 的開度和液力耦合器的轉速）。并聯的5 臺高壓注水泵分為兩個品牌型號（國產泵和進口泵），泵的功效存在差異，并且是國內首次在海洋石油領域應用液力耦合器代替變頻器VFD 用作大功率高壓注水泵的啟動和泵速調節。多個可調變量和控制對象之間存在相互作用甚至會發生干擾，整個系統構成了一套非典型的復雜控制邏輯。

經過對系統全面細致的分析，首先確認在此系統中注水緩沖罐（T-4101）和高壓注水泵組（P-4102A～E）是關鍵設備，注水緩沖罐的液位應作為關鍵被控變量， 維持緩沖罐的液位在合理區間，避免由于液位HH/LL 報警而觸發整個生產系統關停。 高壓注水泵組出口總管上的壓力PC 作為次級關鍵被控變量，保證下游注水系統的壓力相對穩定。 每臺高壓注水泵的泵出口配備有壓力變送器用于監控該泵的效率，并可用于對該泵的轉速進行一定范圍內的修正，保證多臺設備出功均勻，避免出現憋泵現象。

2 液力耦合器的功能原理和特點

液力耦合器（圖2）的主要傳動元件為一組安裝在密封工作腔內的泵輪和渦輪，通過勺管可以連續調節工作腔的液壓油量實現無極調速的功能，液壓油經油泵完成潤滑和循環散熱。

圖2 液力耦合器系統構成

液力耦合器具有控制精度高（3‰）、效率高（95.8%）、故障率低（MTBF＞48 年）、大修周期和使用壽命長（分別為7 年和30 年）等優點。 液力耦合器存在最大2.9%的滑差，可以實現0%～97%范圍內的無極調速，0%～100%勺管位置的響應時間小于10s。對于泵或壓縮機類設備，其經濟的調速范圍為70%～97%。

相對于變頻器VFD 驅動，采用液力耦合器可選用普通電機和電纜， 具有較少的電磁干擾，不占用電氣房間，尤其適用于大功率設備的調速工況（大于800kW），整體效益更加明顯。

高壓注水泵功率和啟動電流大，因此液力耦合器不僅可以用作運行過程中的調速，還可以用于泵的啟動程序，避免對電網造成沖擊。

3 注水泵調速區間的選定

因國產化方面的需求，在該系統中同時采用了國內、國外兩種品牌的高壓注水泵。 國外A 品牌的為7 級離心泵， 國內B 品牌為6 級離心泵。對比國外A 品牌泵的性能曲線（圖3） 與國內B品牌泵的性能曲線（圖4），且通過計算可獲悉：

a. 在額定工作點（570m3/h，10.4MPa），國外A品牌泵軸功率為2 046kW（轉速2 890r/min），國內B 品牌泵軸功率為2 169kW（轉速2 904r/min），兩種型號泵的效率存在約5%的差異；

b. 在相同的2 890r/min 轉速（570m3/h 排量）條件下，國內B 品牌泵的出口壓力較國外A 品牌泵的低約0.255MPa；

c. 在相同的2 700r/min 轉速 （泵出口閥關閉）條件下，國內B 品牌泵的出口壓力較國外A品牌泵的低約0.9MPa。

經對比分析可知，兩種不同品牌泵的效率存在差異，尤其在低轉速（低于2 700r/min）工況下泵出口壓力差異明顯。 在兩種泵并聯運行的工況下，泵出口壓力與其流量關系緊密，如果差異超過一定值將造成出口壓力低的設備憋泵，因此應為兩種品牌的泵分別設置轉速調節區間，使兩種泵的排量和出口壓力保持近似，達到均勻出功的目的。 基于泵的性能曲線進行分析和計算，初步確定，將國外A 品牌泵轉速調節區間設置為2 600～2 890r/min （對應壓力調節區間為10.3～12.0MPa）。國內B 品牌泵的轉速調節區間設置為2 700～2 900r/min （對應壓力調節區間為10.3～12.0MPa）。

4 注水緩沖罐T-4101 的液位控制邏輯

圖3 國外A 品牌泵性能曲線

圖4 國內B 品牌泵性能曲線

注水緩沖罐T-4101 的總高度為6 500mm，液位調控區間為1 000～5 000mm， 其液位可以由3組可控變量來調節，分別為：

a. 高/低壓補水閥LV-4101B， 該閥門開度增大， 可增大來自FPSO 的高壓生產水向低壓生產水補水量，從而提高T-4101 的液位。

b. 高壓注水泵組P-4102A～E 的液力耦合器，通過調節液力耦合器降低泵的轉速，使泵出口流量和壓力同時降低， 減少對下游的注水供給量，使T-4101 液位下降趨勢變緩慢。

c. 高壓注水回流閥LV-4101A， 該閥門開度增大，可增加高壓注水泵出口總管到注水罐的回流量，使T-4101 液位下降趨勢變緩慢或回升（閥門最大開度下回流量為一臺泵的額定流量）。

考慮到高壓注水回流閥LV-4101A 開啟必然會顯著降低注水泵出口和總管線的壓力值，對液力耦合器的控制回路造成嚴重干擾，因此應考慮基于儲罐液位的分程和分級控制方案。 具體控制程序如下：

a. 通過調節高/低壓補水閥LV-4101B， 控制緩沖罐的液位在2 400～5 000mm 之間 （設定點SP1為3 300mm）。

b. 當液位低于2 000mm 時，觸發（全部在線運行的高壓注水泵）液力耦合器脫離泵出口管線的壓力控制回路，參與到液位控制程序。 此工況下高壓注水泵將切換為固定轉速的低轉速模式，不再隨儲罐液位和泵出口壓力調整轉速（低轉速值可在線設定，設定值范圍應在2 550～2 600r/min之間，低轉速設定值以不引起下游注水井口低壓關斷為原則）。 此狀態下泵出口總管壓力會隨之降低到10.2MPa 以下（與下游系統背壓有關），外輸水量也會隨之顯著降低。 待液位迅速恢復到3 000mm 高度， 液力耦合器脫離液位控制回路，恢復到泵出口總管線上的壓力控制回路（參見第4 節相關說明）。

c. 如果上述工況下，液位繼續降低到1 300mm， 將觸發操縱變量高壓注水回流閥LV-4101A 參與到液位控制程序。 因閥門前后壓差較大，為減小氣蝕和降低噪聲，可在中控DCS 系統設定將該調節閥作開關控制（閥門開度設置值可在線調整，建議設定值為60%），待液位恢復到1 800mm，閥門完全關閉并退出液位控制程序。

d. 在上述b、c 工況下，應屏蔽掉單臺泵出口和總管上所有壓力變送器的L/LL 報警和關斷信號，避免對操作者的干擾或設備的誤關斷。

5 高壓注水泵出口總管壓力控制邏輯

高壓注水泵出口總管設計有壓力變送器，變送器信號輸入到中控DCS 系統， 用于通過液力耦合器來調節高壓注水泵轉速， 達到維持和穩定下游注水平臺系統壓力的目的， 具體方式為：

a. 高壓注水泵組 （P-4102A～E，4 用1 備）由本地控制盤啟動， 達到額定轉速后轉為自動模式，交由中控DCS 系統進行轉速的控制和調節。

b. 中控DCS 系統以高壓注水泵出口總管壓力為被控變量，通過同步調節所有在線運行的高壓注水泵組的轉速，將注水總管壓力穩定在設定值11.4MPa。 將國外A 品牌泵轉速調節區間設置為2 600～2 890r/min（對應壓力調節區間10.3～12.0MPa），將國內B 品牌泵轉速調節區間設置為2 700～2 900r/min （對應壓力調節區間為10.3～12.0MPa）。 此PID 控制為主控制環，即外環控制回路。

c. 同時，以單臺注水泵出口壓力作為內環控制回路，通過調節單臺泵轉速，確保單臺泵出口壓力與各個泵出口平均壓力均值一致，以達到泵組均勻出功的目的［1］。 高壓注水泵轉速反饋信號用于實際轉速的監控，確保內環控制過程中單臺泵實際轉速不超過轉速偏差的設定值ΔRPM（50r/min）。 根據廠家提供的泵性能曲線，在400～570m3/h 排量區間內，50r/min 的轉速差對應0.4MPa 泵出口壓力差值， 約對應58m3/h 的流量差值， 即各個泵之間的功率差值不超過58/570=10.1%。 如果實際運行過程中泵出口壓力偏差小于0.2MPa，則可跳過內環控制回路。

d. 注水緩沖罐T-4101 液位降低到一定程度（設定點SP2為2 000mm)， 液力耦合器脫離壓力控制回路，參與到液位控制回路（參見第3 節相關說明）。

e. 差異報警， 以中控系統輸出轉速為基準，實際轉速反饋為監控量對泵的轉速差，作差異報警，超出120r/min 進行報警。 同時對單泵出口壓力作差異報警，超過0.5MPa 進行報警。

6 注水泵控制模式

注水泵設置有本地控制盤，與平臺的中央控制系統CCS 由硬線電纜連接，可實現現場啟動和遠程監控。 結合本項目的系統配置和操作方的實際需求，在中控系統為每臺泵設計了3 種控制模式——本地模式、 遠程手動模式和遠程自動模式：

a. 本地模式用于在本地盤上現場操作，中控系統只進行設備的狀態監控和緊急關停。

b. 遠程手動模式用于在操作站進行遠程手動操作， 包括現場人員配合的泵的啟動和切換。此模式下泵的轉速設定/調節閥的開度設定均由中控系統給予定值。

c. 遠程自動模式，系統啟動并運行平穩后切換到該控制模式，系統自動根據儲罐液位和注水總管線的壓力調節泵的轉速和閥門開度。

7 結束語

筆者介紹的控制邏輯充分發揮了液力耦合器的調速能力和DCS 系統強大的自動控制功能，省卻了在5 臺注水泵出口分別配置高壓/大尺寸流量計進行計量和監控的需求，僅設備材料費至少節約60 萬元。 平臺已投產并穩定運行一年有余，驗證了該系統的合理性和先進性。