变频调速技术以及PLC控制技术在注汽锅炉上的应用.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 9 年2 月第 3 l 卷第 1 期 J o u r n a l o f Oi l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P D F e b ． 2 0 0 9 V o 1 ． 3 1 N o ． 1 变频调速技术 以及 P L C控制技术 在注汽锅炉上的应用 李桂芹 ，靳立宏 ，党建军 河 南油田分公司第 二采油厂， 河 南唐河4 7 3 4 0 0 [ 摘要]在稠油蒸汽吞吐热采 中，注汽锅炉是个耗能大户．研究针对河南油田注汽锅炉运行中存在的问 题 。介绍采 用变频调速 技术 以及 P L C 自动控制技术，实现锅 炉给水泵、供 油泵电机 变频调速运 行；实现 空压机启、停 的 自动控制．从 而使注汽锅炉能耗得 以降低，达到 了节能降耗的 目的。 [ 关键词]稠油；蒸汽吞吐；自动控制；变频调速；注汽锅炉l节能降耗 [ 中图分类号]TE 3 5 7 ． 4 [ 文献标识码]A [ 文章 编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 0 9 O l 一 0 3 1 9 0 3 河南油田稠油开发经过十多年的不断探索和刻苦攻关，有效地将层系厚度仅 3 ～1 5 m 的薄层稠油投 入工业化开发 ，极大地拓展了稠油蒸汽吞吐技术的应用领域，逐步形成了以蒸汽吞吐为主的薄层稠油开 采工艺配套技术 。但是 ，稠油蒸汽吞吐热采是一种高投入、高成本的开发工艺 ，其核心设备是注汽锅 炉。在保证注汽质量的同时，对不合理工艺流程进行技术改造 ，加强节能新技术、新产品推广应用，对 降低稠油开采成本，提高热采效益，具有非常重要的意义。 1 现状分析 1 ． 1 注汽锅 炉给水 、供油方 式不合理 造成 电能单耗 过大 注汽锅炉的能耗设备主要是给水泵和供油泵 ，给水泵的排量是按照锅炉最大负荷设计的，而实际生 产中热采井注汽所需给水量小于给水泵额定排量 ，如井楼三区注汽站，给水泵额定排量为 2 3 t ／ h ，而实 际上根据吞吐井配汽需要 ，给水量每小时在 1 4 ． 5 2 3 t 之间波动，给水量是靠调节 回水调节阀开度来控 制的，因此给水泵产生大量富余水 ，2 5 以上的高压给水通过调节阀又回到给水泵低压入 口端，造成电 能浪费。另外 ，供油泵也存在着同样的问题 ，为了保证锅炉燃烧器油嘴供给压力稳定 ，以实现燃料燃烧 的稳定和锅炉的平稳运行 ，在供油泵排量选型上考虑有较大 的富裕量 ，供油泵 的额定排量为 2 4 m。 ／ h ， 单台锅炉实际供油量每小时在 1 ～1 ． 2 5 m 之间变化 ，运行中除少部分供锅炉燃用外 ，9 2 以上的燃料 油又都通过回油管线返回储油罐 ，使锅炉的燃料油供给系统 ，存在着严重的 “ 大马拉小车”现象 ，造成 电能浪 费 。 1 ． 2 注汽锅炉供 风方式 不合理 造成 能耗 采油二厂各注汽站现有柳州空气压缩机 1 6台，其作用是给注汽锅炉空气雾化 、水处理气动阀及其 他气动仪表提供用风，每台压缩机的电机功率为 3 7 k W。锅炉在点炉时需要空气雾化 ，且用气量较大 ， 当锅炉蒸汽干度大于 4 O 之后改为蒸汽雾化 ，蒸汽雾化时，压缩空气只供水处理气动阀及其他气动仪 表使用，这时压缩空气需求量大大减少 。特别是锅炉燃料改烧天然气后 ，压缩空气的需求量更少，仅相 当于 注汽锅 炉烧原油 或渣 油时改蒸 汽雾 化后 的用气 量 ，空压 机工作 时 间与卸 载时 间 比约 为 11 0 ，即空 压机工作时间为 i mi n ，卸载时间为 1 0 rai n ，经测量空压机卸载时电流为 2 9 A，工作时电流为 3 7 A，空 压机在卸载状态下仍在空转 ，这样既造成电能浪费，又增加了空压机的磨损，减少空压机的使用寿命 。 [ 收稿日期]2 0 0 8 1 2 2 2 [ 作者简介]李桂芹 1 9 6 9 一 ，女，1 9 9 2 年大学毕业 。 工程师，现主要从事采油设备电气仪表方面的研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 9 年 2 月 2 技改措施 针对上述两方面的问题，分别进行了技术改造和新技术的推广应用 。 2 ． 1 应 用变频技 术对 给水 、供 油 系统进行 技 术改进 从电机转速公式 n 6 o f 1 一s ／ 可知， 转速 与频率 ．厂 、 转差率 成正 比， 与极数 P成反比， 由此可 见 ， 改变频率 ，、 转差率 5 和极数 P， 均能改变电机的转速[ 1 ， 而一台电机确定后 ， P、 5 即是一定值， 这样通过 均匀地改变供电频率 ．厂 ， 即可以平滑地改变电机的转速 ， 达到变频调速 的目的。 变频器的工作原理为根据实际负荷大小 ，变频器把通常不可调节的 3 8 0 V、5 0 Hz的三相交流电 变成频率和电压可调 的三相交流电，送给 电动机 ，使 电动机输 出功率能够 随着负荷 的变化 自动地 调 节 [ 2 ] ，从 而达到 节能 的 目的 。 在注汽锅炉给水系统和供油系统中，给水量和供油量是根据锅炉的干度随机变化的，对柱塞泵和螺 杆泵来说 ，在排量一定的情况下 ，要实现变量控制的一个重要途径，就是调节转速 ，变频调速是通过改 变电机定子绕组的供电频率来改变同步转速，实现调速 ，因此在给水系统和供油系统中采用变频调速， 可获得显著的节能效果 。因此，针对注汽站给水泵回流控制以及供油系统工艺流程现状，以满足注汽锅 炉安全运行 、产气量和出口蒸汽干度稳定为前提，采用变频技术 ，对锅炉给水系统和供油系统进行技术 改造，利用变频器对给水泵和供油泵的电机实施控制，通过调节电机转速改变供水量和供油量 ，有效地 解决了 “ 供过于求”的现象 ，实现给水量和供油量与注汽锅炉实际需求相匹配，减少回流能耗 ，从而达 到节能降耗的目的。 2 ． 2 采用 P L C控 制技 术对锅 炉供 风 系统 进行技 术改 造 为了更好地完善供风系统工艺流程，实现节能降耗目标，对注汽锅炉仪表供风系统工艺及控制技术 进行研究 ，对空压机运行方式及卸载系统进行技术改造 ，实现空压机能根据储气罐压力的高低进行 自动 启 、停的自动控制，从根本上解决 电能损耗以及空压机磨损问题 。 控制的原理是空压机的运行控制采用 P L C作为控制核心 ，并在供风系统上增设储气罐 ，通过检 测管网的压力 ，使其能根据给定的压力值进行 自动停机或开机 ，即当压力高于某一给定值时，空压机能 自动安全停机 ，当压力低于某一给定值时，空压机能 自动安全可靠地开机[ 3 ] ，达到空压机 自动控 制的目 的，从而实现节能降耗。 ． 该系统采用西门子 S 7 2 0 0 P L C可编程序控制器控制，根据实际情况，进行逻辑编排各继 电器、交 流接触器的动作，实现空压机自 动启停。即压力开关和电磁阀将压力信号传给 P L C ，再由 P L C检测 储气罐的压力 ，若压力低于 0 ． 4 0 MP a ，P L C控制电器元件 ，启动空压机 ；若压力大于 0 ． 4 0 MP a ，且小 于 0 ． 7 5 MP a ，空压机继续运行；当储气罐的压力高于 0 ． 7 5 MP a 时，P L C给电器元件发 出指令t使空压 机停止。其主要改造内容有 1 改造现有流程。为了增加空气储量，减少空压机的启动次数，对原来闲置的储气罐进行并联， 在满足 锅炉压力需要的情况下，增加空压机压力范围。由原来的 0 ． 4 5 ～O ． 6 5 MP a ，改为 0 ． 4 O ～O ． 7 5 MP a 。 2 为了实现空压机的可靠启动，保证仪用管网压力不 回窜至空压机缸体 内，实现压缩机的零压力 启动，选择精度较高及质量可靠的快速切断阀及放空电磁阀是技术改造的关键。 3 改造控制系统。选用西门子 S 7 2 0 0 P L C可编程序控制器控制实现空压机 的启停控制以及加载一 卸载转换控制，并将现在的连续运行改为间歇运行 ，并可实现空压机电机的 Y 一 △转换降压启动 。 4 在空压机和储气罐之间增加 2只压力开关和 2只电磁阀，将压力信号传给 P L C，再由 P L C控制 空压机电气系统，实现高压 O ． 7 5 MP a 停机 ，低压 0 ． 4 0 MP a 自动开机的 目的。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 l 卷第 1 期 李桂芹等 变频 涸速技术以及 P I C控制技术在注汽锅炉上的应用 3 2 1 3 经济效益分析 3 ． 1 采用变频技 术对 给水 、供 油 系统进行技 术改 进 。节 电显 著 在河南油田井楼三区注汽站 2 炉 、3 炉和井楼一 区注汽站 1 炉、3 炉安装 了B TS 一 1 1 0 D给水泵变 频调速装 置 4台 ，为保 证注 汽锅炉安 全运行 的要求 ，并 配套实 施 了给水泵 变频控制 与锅炉 安全联 锁控制 的技术 ；在井楼三区注汽站安装供油泵变频调速装置一台，对供油泵运行实行 了以供油压力为控制 目标 的闭环控制，保证了注汽锅炉的安全平稳运行。 1 该技术应用后 ，河南油田节能监测中心分别对安装变频器前后给水泵电机进行了能耗对 比测试 ， 测试结果给水泵变频控制综合节 电率达到 了 1 9 ． 2 9 ％ 给水 泵电机功率为 1 1 0 k W，平均负荷率 为 0 ． 8 0 ，按每年工作 3 0 0 d ，则每套调速系统年节电 l l O X 0 ． 8 0 X 1 9 ． 2 9 X 2 4 3 0 0 1 2 ． 2 4 1 0 k W h 。 2 供油泵变频控制综合节电率达到了 3 O ． 3 供油泵电机功率为 3 O k W ，按每年工作 3 6 0 d ，年节 电 3 O3 O ． 3 2 4X 3 6 0 7 ． 8 5 X1 0 k W h 。 3 取消给水泵回水调节所需的回水调节 阀、定值器、调水 电磁阀等配件 ，每年可以节省一定的维 修 费用 ，具有潜 在的经 济效益 。 4 改造完成后能极大地降低锅炉房内给水泵及回水调节阀所产生的噪音 ，延长设备检修周期 ，具 有 明显 的社会效 益 。 变频调速在注汽锅炉给水 、供油系统中，有效地解决 了 “ 供过于求”的现象 ，实现给水量和供油量 与注汽锅炉实际需求相匹配，减少回流能耗，达到了节能降耗 ，为企业带来了可观的经济效益和社会效 益 。 3 ． 2 锅 炉供风 系统技 术改造现 场应 用效果 在河南油田井楼油田三区注汽站完成了注汽锅炉供风系统过程控制技术优化设计，改变其原来的工 艺流程及控制方式 ，使设备工作在最佳工作状态，达到了项 目的预期 目标 1 节约维修费用。该技术改后空压机每天工作 4 h ，停运 2 0 h ，减少了空气压缩机的机械磨损 ，延 长其使用寿命，降低维修保养费用 。经计算一台空气压缩机每年可节约设备配件及 日常维修费用 1 。 0 x l O 元 。 2 节约电能。经节 能监 测 中心 测试 ，平 均 有 功节 电 1 4 ． 8 1 ％，无功 下 降 7 O ． O 8 ，电流下 降 5 8 ． 2 9 ，功率因数提高 5 O ． 9 2 ，同实施前相 比，平均综合节 电率为 2 4 ． 8 4 ，单台空压机年 节 电 1 1 ．1 3X 1 0 ‘ kW h。 空气压缩机运行控制技术改进有效地控制了电能浪费和设备维修费，减少了设备检修次数 ，延长其 使用寿命，不到一年即可收回投资 ，经济效益显著。 通过以上 2个方面的技术改进 ，注汽锅炉 的各项指标均有明显改善，收到了良好 的节油和节 电效 果 ，所以，围绕注汽锅炉进行节能技术改造 ，具有非常重要的意义。 [ 参考文献] E 1 ]王永华 ．现代电气2 ,- I 编程序控制技术 [ M]．北京 北京航空航天大学出版社 ，2 0 0 2 ． 6 0 6 1 ． t z ]杨宏志 ，甘继军 ，熊祖仁 ． 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