研制液位自動跟蹤系統促進節能減排

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聚合物分散裝置是三次采油聚合物母液配制的核心裝置，它的作用是將聚合物干粉顆粒均勻地散布在一定比例的水中，并使聚合物干粉顆粒充分潤濕，為下一道工序“熟化”（即攪拌溶解使聚合物與水充分混合溶解）準備條件。它的運行好壞直接影響聚合物母液的溶解質量、注入液的各項指標，以及對分散出口過濾器、熟化攪拌機、轉輸設備、注入設備（注聚泵，一般為三柱塞泵）及用能情況都有較大影響。而影響溶解的設備主要是水粉混合頭、攪拌機、溶解罐液位，水與聚合物干粉的初溶（初步溶解）效果直接影響聚合物母液的物性和后續注入運行狀況。

1聚合物分散裝置發展概況

20世紀90年代初，孤東油田最早使用美國Pfizer公司生產的聚合物分散裝置，下粉器控制采用可控硅直流變速電機、排液泵排量采用機械凸盤式控制，下粉和混輸只能是手動調節，采用電極式液位計，只有高、中、低三種液位輸出狀態。液位控制只能是極限液位控制，罐滿液位時停止進水、進藥；中液位時開始啟動攪拌機攪拌；在罐低液位時停排液泵。為保持進水、進粉的連續，常設定排液速度略大于進水速度。而后來隨著變頻器的普及應用，大港總機廠、張家口總機廠、勝利油田總機械廠生產的國產化分散裝置中對這些設備進行了三個方面的改進。

1.1液位計由電極式液位計改為靜壓式液位計，或靜壓和電極聯合控制的液位控制方式，兩種液位計的性能對比如下。電極式液位計的優點：價格便宜，安裝調試簡單，無功耗，采用不銹鋼材質，壽命很長。缺點：因長期在初溶的高濃度聚合物和高礦化度的清水環境下，極易在電極頭上結塊、結垢，造成控制失靈，引起冒罐或分散裝置停止工作的故障，并且不能準確反映罐內液位，在值班室的終端微機上也不能反映連續液位。靜壓式液位計的優點：采用膜片式靜壓測試，電腦芯片數據處理，通過誤差校正程序，保證測試數據的線性，可以準確測量罐內液位，抗干擾能力強，抗沖擊。接觸材質是不銹鋼，壽命較長，以4-20mA標準信號輸出遠傳，在終端微機上顯示連續液位狀況，與其他自動化設備組合實現開環、閉環控制，與測試介質接觸不會影響其測試精度，技術成熟，設備穩定性好，不易損壞。

1.2下粉機控制由原來的可控硅直流電機，改成小功率三相交流電機，其工作變得更加準確，控制更方便，與PLC連接更加可靠。

1.3排液泵控制排液泵（輸送初溶聚合物母液的輸送泵，通常為螺桿泵）廢除機械調速，采用變頻調速。機械調速：皮帶、凸輪磨損快，故障率高，并且電機工作時功率因數低，只能手動調速，無法與自動控制設備連接實現閉環控制；價格便宜。變頻調速：工作穩定，操作簡單，并且通過優化參數可以達到節電目的，最大優點是可以實現電子無級變速，并且可以與PLC或自動化二次儀表組合實現精確控制，這也是液位自動跟蹤的前提；缺點是價格稍微高一些。

2液位自動跟蹤系統和研制

2.1分散裝置運行特點正常情況下，分散裝置在運行中，分散裝置溶解罐中液位波動變化，排液泵、溶解罐攪拌機間歇運行。圖1-3分別是每配制一個熟化罐（一個配制周期）分散裝置液位的變化和排液泵、溶解罐攪拌機工作的工況圖。從圖1中可以看出，正常工作時溶解罐液位l大部分時間處于中低液位，且處于低液位時間較長；從圖2中看出，排液泵在一個熟化罐配液周期有6～10次的停機和再啟動過程；從圖3中看出，大部分時間攪拌機處于停止狀態，也就是說，在分散初溶過程中大部分時間只是靠混合頭水粉直接混合，并無攪拌，由排液泵直接輸送到熟化罐（即攪拌罐）。目前這種設備在運行中存在以下缺點：由于大部分時間不攪拌，水粉根本達不到均勻初溶，聚合物溶解性差，造成易結包塊，產生“魚眼”，在輸出到熟化罐過程中，容易堵塞過濾器。在熟化罐中由于包塊形成難以充分熟化，延長攪拌熟化的時間，同時造成拉絲和大塊凝膠，無法排出，部分直接沉積罐底，即使勉強輸出也會造成外輸過濾器的堵塞，使注聚泵吸入能力變差，容積效率下降，增加了注聚泵的無功損耗，并且粘連閥座、柱塞等。同時，使得剪切降解、工人清閥次數以及配件損壞的速度都有所增加，也會導致能耗升高和聚合物的浪費。由于大量干粉結塊，只能當廢物處理，浪費了干粉藥劑，并且使聚合物母液的黏度指標大大下降，間接影響了聚合物驅油效果。由于長時間液位在較低狀態，溶解罐底部造成自然漩渦，排液泵在吸入時必然吸入部分空氣，此時水粉幾乎來不及充分混合即被排出，所以對聚合物母液的常規指標危害嚴重，造成大量干粉浪費，結塊和沉積對流程造成堵塞。同時，排液泵采用的是單螺桿泵，其定子是橡膠制品，在供液不足吸入空氣情況下，定子摩擦力增加，發熱加快定子損壞，設備運轉振動增強，無功損耗增加。同時，由于攪拌機和排液泵頻繁啟動，對局部電網發生一定沖擊，并且單螺桿泵由于轉子和定子是不銹鋼對橡膠，其啟動阻力相對較大，啟動電流也較大，對電網、電機及輔助設備也造成一定沖擊。

2.2液位自動跟蹤原理利用靜壓液位計輸出4～20mA標準信號，通過信號屏蔽電纜傳輸給變頻器，通過改變變頻器的啟動頻率控制方式，與變頻器形成閉環負反饋控制，采用單一比例控制或PID控制均能達到在整個配液過程中，液位自動跟蹤，保持液位恒定，即保持進水速度與排液速度相同，即使進水速度發生變化，產生干擾，經過變頻調速，很快系統就會達到平衡，保持液位穩定在設定的高度上。（1）純比例控制方法。靜壓式液位計輸出4～20mA信號，目前采用的是2m量程的液位計，變頻器運行頻率受輸人信號的控制，采用正比例控制。當排液速度與進水速度相等時，液位就會穩定在一個特定高度。如果要調整液位高度，只需改變進水速度，或改變變頻器頻率量程即可。操作中，改變V/F曲線，把變頻器的基本頻率由50Hz該為40Hz左右，也就是說讓變頻器在40Hz左右時對應輸出電壓380V，相對來說在低頻同樣頻率下時輸出電壓約增加20％的輸出電壓給電機，此時電機工作電流下降約10％左右，電機溫度有所下降，噪聲和振動也變得很小，較之工頻時電機運轉有力而平穩。（2）PID調節方法。只需在變頻器上設定要控制的輸入信號的大小，液位輸出信號、變頻器、排液泵組成閉環控制，達到控制目的。在不產生液位波動的情況下，盡可能增加比例系數，縮短積分時間，增大微分參數，這樣既可以快速使液位達到平衡，又可以避免出現超調（液位大范圍波動）。2009年3月，首先在七區西54-61二元復合驅試驗站現場調試，取得了明顯效果，徹底消除原工作狀態造成的弊端。目前在5套分散裝置上試用單一比例控制，已經達到預期效果。比如，在孤東油田三四區二元驅配制站分散運行過程中，在一個周期，進水、排液、攪拌都平穩運行，開機調穩時間不到5s，并且由于變頻器調整在最優狀態，電機功率大大提高，電機溫度接近環境溫度，輸出聚合物母液初溶均勻，無魚眼、顆粒和拉絲現象。圖4～6分別是實施液位自動跟蹤后每配置一個熟化罐（一個配制周期）分散裝置液位的變化和排液泵、溶解罐攪拌機工作的工況圖。從圖4～6與圖1～3的工況圖對比看，實施液位自動跟蹤后，分散裝置溶解罐的液位在一個配制周期，液位始終穩定在最佳液位，而排液泵和攪拌機不再是間歇運行，而是連續工作，保證了聚合物母液配制的均勻和充分初溶。

2.3現場應用情況該項技術于2010年9月起在12套分散裝置上推廣實施，取得了很好的節能降耗效果。從注聚站反饋數據統計，由于聚合物初溶效果較好，使聚合物配制質量有了明顯改善，聚合物結塊產生魚眼（成包塊狀）現象明顯減少，清閥、清過濾器周期延長為原來2-4倍；同濃度下聚合物母液黏度比原來提高10-15%，節電率達15％左右，12套分散裝置年節電達1.5×105kWh，每年取得節電效益9.15萬元。系統運行穩定可靠，壽命10a以上。在相同情況下，可適當減少熟化時間0.5-1h，提高配制站整體輸液能力，遏止了因熟化攪拌機運行時間過長而產生的電能浪費。同時由于設備運行穩定，減少了運行沖擊性，可降低設備維修費12萬元，還大大減輕了工人勞動強度。

3結束語

現場可以利用現代技術較高的電子產品來實現自動控制，完善注聚工藝中存在的原始問題。變頻器的推廣使用，需要技術人員不斷開發其豐富的功能，不斷完善注聚工藝，進一步改善設備工作狀況。液位自動跟蹤主要解決的是聚合物配制中提高各項指標的問題，這對三采工藝推進、更新換代起到一定的指導意義。