一种油田智能注水监控系统的制作方法

1.本实用新型属于石油电子监控设备技术领域，尤其涉及一种油田智能注水监控系统。


背景技术：

2.通过注水井向油层注水，是保证油层压力，提高油藏采油速度和采收率而被广泛采用的一项重要开发措施。在油田注水工程中，注水泵是满足油田注水，保证地层压力的源设备，为了保证较长时期内满足油田注水需要，在设计上注水泵的容量选型一般都较大，同时在实际生产中，日注水量又总是一个波动较大的参数。特别是在高压注水系统中，大马拉小车的现象比较普遍，注水泵泵压与注水管线干压之间存在较大的压差，必须靠控制出口阀门来保证注水管网的注水压力，这样既造成大量的电能被白白的消耗掉，同时又由于泵压较高对机泵的运行也十分不利。为适应注水量的变化，实现合理注水，需不断调整注水泵的运行方式。
3.在没有调速措施的情况下，只能通过开泵台数或人工调节阀门来控制流量，必然造成注水系统能耗增高。注水量昼夜变化比较大，原设备又只能定速运行，所以只能靠调节阀门的开度来调节注水量的大小，人为地改变了管网的阻力，增加了管网损耗，造成相当大的一部分能量浪费在阀门上，致使注水单耗居高不下，不但不能够经济运行，而且增加了工人的工作量，调节不及时还会造成管网压力过高或过低，流量过大或过小，影响生产工艺及设备的安全运行。
4.如何为现有注水泵应用变频系统、实现控制注水泵排量，设计一种成熟的油田智能注水监控系统，解决上述技术问题成为该领域的技术难题。


技术实现要素：

5.针对上述技术问题，本实用新型提供了一种油田智能注水监控系统，该系统为现有注水泵配置了变频系统，能够实现控制注水泵排量，该变频系统具备一柜两泵的控制功能，同时，该方案还设计了完善的控制面板和操作员站解决了系统的交互问题。
6.本实用新型通过以下技术手段解决上述问题：
7.一种油田智能注水监控系统，包括供电系统、plc系统、变频系统、操作员站、控制面板和现场设备，其中：所述供电系统用于向系统供电；所述plc系统用于数据存储、运算和分析，plc系统通过rs485屏蔽双绞线连接变频系统，plc系统通过以太网接口连接操作员站，plc系统通过i/o端口连接控制面板，plc系统通过d/a端口连接现场设备；所述变频系统接收plc系统发出的启停命令和变频器速度给定信号，并控制注水泵的工作状态；所述操作员站为工控机；所述控制面板由多个选择开关、按钮和指示灯组成，选择开关和按钮用于接收操作信号，指示灯用于显示系统的工作状态；所述现场设备包括进出口压力传感器、进出口温度变送器和储罐液位变送器。
8.优选的，所述供电系统包括主供电电路、plc供电电路和开关电源供电电路，其中：
所述主供电电路包括塑壳断路器和变频器、第一交流接触器和第二交流接触器，主电路三相电经过塑壳断路器后进入变频器、再经过变频器后并联进入第一交流接触器和第二交流接触器，所述第一交流接触器用于连通外部的第一注水泵，所述第二交流接触器用于连通外部的第二注水泵；所述plc供电电路包括微型断路器，主电路三相电经过微型断路器连接到plc系统的电源接线火线端子和零线端子上；所述开关电源供电电路包括小型断路器和开关电源，主电路三相电经过小型断路器进入开关电源，开关电源将ac220v转化成dc24v。
9.优选的，所述plc系统采用smart200plc型控制器。
10.优选的，所述变频系统采用acs580型变频器，acs580型变频器的a、b端子分别连接plc系统db9口的第5针脚和第8针脚。
11.优选的，所述操作员站采用ipc-610l型工控机。
12.优选的，所述控制面板包括就地/计算机选择按钮、紧急停止按钮、故障复位按钮、启动按钮、停止按钮和双泵置位旋钮，以及变频运行指示灯、变频故障指示灯、第一注水泵运行指示灯和第二注水泵运行指示灯，其中：所述就地/计算机选择按钮为双置位按钮、包括两组触点，其中一组触点的一端与smart200型plc的i0.0端子连接，另一端与开关电源供电电路的正极输出端24v连接；就地/计算机选择按钮的另一组触点一端与smart200型plc的i0.1端子连接，另一端与开关电源供电电路的正极输出端24v连接；所述紧急停止按钮为复位按钮，一端与smart200型plc的i0.2端子连接，另一端与开关电源供电电路的正极输出端24v连接；所述故障复位按钮为复位按钮，一端与smart200型plc的i0.3端子连接，另一端与开关电源供电电路的正极输出端24v连接；所述启动按钮为复位按钮，一端与smart200型plc的i0.4端子连接，另一端与开关电源供电电路的正极输出端24v连接；所述停止按钮为复位按钮，一端与smart200型plc的i0.5端子连接，另一端与开关电源供电电路的正极输出端24v连接；所述双泵置位旋钮为选择开关，一端与smart200型plc的i0.6端子连接，另一端与开关电源供电电路的正极输出端24v连接；所述变频运行指示灯一端与smart200型plc的i0.7端子连接，另一端与开关电源供电电路的正极输出端24v连接；所述变频故障指示灯一端与smart200型plc的i0.8端子连接，另一端与开关电源供电电路的正极输出端24v连接；所述第一注水泵运行指示灯一端与smart200型plc的i0.9端子连接，另一端与开关电源供电电路的正极输出端24v连接；所述第二注水泵运行指示灯一端与smart200型plc的i0.10端子连接，另一端与开关电源供电电路的正极输出端24v连接。
13.本实用新型的一种油田智能注水监控系统具有以下有益效果：
14.1)本实用新型的主供电电路，由380v三相交流电源引出变频回路、交流控制回路和直流回路三个回路，电路结构简单，设计合理、实现方便且成本低。
15.2)本实用新型的控制回路，采用plc模块作为控制器，连接变频器、操作员站、现场传感器和控制面板，电路结构简单，设计合理，实现方便且成本低。
16.3)本实用新型使机泵运行更加安全，对于油田集输、注采设备而言，最重要的是确保设备运行安全，油田所运用的设备比较昂贵，如果发生安全事故，这会严重影响企业的经济损失，利用智能注水监控系统能够帮助工作人员及时掌握设备的运行状况以及工作数据，减少安全事故的发生。
17.4)本实用新型具备注水管网压力自动调节功能，当油田集输、注水泵站启动时，需要对每个泵站的出口压力和系统压力之间的差值进行持续监测，由于变化压差的存在，智
能注水监控系统能够确保泵站出口的开度实现自我调节，确保出口压力值能够控制在合理范围之内，从而保证整个系统的安全运行。
18.5)本实用新型可以减少设备磨损，降低工作劳动强度。油田集输、注水泵站的泵阀启闭调节主要依靠变频器，开启过程较为平缓，可以有效增长泵阀的使用时间。在整个油田集输、注水泵站的设备运行过程中进行全方面的监测保护，可以有效弥补外界因素对设备的损坏。另外，智能注水监控系统能够提供准确的数据监控和调控，可以使工作岗位上的工人能够直接了解泵站的运行情况，不需要进行人工采集就能够获得相关数据，降低工人的劳动强度。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本实用新型的整体结构示意图；
21.图2是本实用新型的供电系统电路示意图；
22.图3是本实用新型的plc系统输入电路示意图；
23.图4是本实用新型的控制面板的选择开关电路示意图；
24.图5是本实用新型的现场设备连接电路示意图。
具体实施方式
25.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
26.以下将结合附图对本实用新型进行详细说明。
27.如图1至图5所示，该油田智能注水监控系统包括供电系统、plc系统、变频系统、操作员站、控制面板和现场设备，其中：供电系统用于向系统供电；plc系统用于数据存储、运算和分析，plc系统通过rs485屏蔽双绞线连接变频系统，plc系统通过以太网接口连接操作员站，plc系统通过i/o端口连接控制面板，plc系统通过d/a端口连接现场设备；变频系统接收plc系统发出的启停命令和变频器速度给定信号，并控制注水泵的工作状态；操作员站为工控机；控制面板由多个选择开关、按钮和指示灯组成，选择开关和按钮用于接收操作信号，指示灯用于显示系统的工作状态；现场设备包括进出口压力传感器、进出口温度变送器和储罐液位变送器，现场设备采用现有变送器或传感器。
28.需要说明的是，变频系统是整体系统调节的执行部分，可以完成精确注水、输出压
力的自动调节；plc系统是整个系统的核心，实现信息采集、存储、分析计算，以及变频启停和速度命令给定功能；操作员站和控制面板是人机输入的接口，具备设备操作、故障报警和历史数据查询统计功能；现场传感器采集注水泵机组参数、工艺参数情况，该方案运行安全可靠，降低能耗，经济效益增加，减少设备磨损，降低工作劳动强度，便于推广应用。
29.实际应用时，plc系统采用smart200plc型控制器。变频系统采用acs580型变频器，acs580型变频器的a、b端子分别连接plc系统db9口的第5针脚和第8针脚，采用modbus_rtu协议，实现变频运行、变频故障、变频速度、变频器欠压、过压保护、变频器缺相保护、变频器过载保护状态读取，同时plc系统通过rs485屏蔽双绞线向变频系统发出启停命令、变频器速度给定信号，操作员站采用ipc-610l型工控机。
30.具体的，acs580型变频器可以实现一柜两泵的控制功能，既控制柜中通过手动切换、选择，可以使一台变频器分别应用于相邻的两台注水泵，在一台泵有故障时，可以通过电气切换使另一台泵使用变频，提高变频器的利用率。注水泵自带的保护(进出口压力、进出口温度、储罐液位等)信号进变频柜，实现连锁保护。利用变频器自带的pid调节模块，设计闭环控制功能，通过检测泵出口汇管压力，与设定压力进行pi运算，自动控制变频器的输出频率。
31.本实施例中，供电系统由380v三相交流电源引出变频回路、交流控制回路和直流回路三个回路，电路结构简单，设计合理、实现方便且成本低。具体的，供电系统包括主供电电路、plc供电电路和开关电源供电电路，其中：主供电电路包括塑壳断路器qf1和变频器vfd1、第一交流接触器km1和第二交流接触器km2，主电路三相电经过塑壳断路器qf1后进入变频器vfd1、再经过变频器vfd1后并联进入第一交流接触器km1和第二交流接触器km2，第一交流接触器km1用于连通外部的第一注水泵，第二交流接触器km2用于连通外部的第二注水泵；plc供电电路包括微型断路器qf2，主电路三相电经过微型断路器qf2连接到plc系统的电源接线火线端子和零线端子上；开关电源供电电路包括小型断路器qf3和开关电源，主电路三相电经过小型断路器qf3进入开关电源，开关电源将ac220v转化成dc24v。
32.具体的，主电路由380v三相交流电源l1线、l2线、l3线经过塑壳断路器qf1后，连接变频器vfd1的三相输入端子r、s、t，进入变频器，经过变频器变频后再经过交流接触器km1和km2；经过km1接触器后与外部1#注水泵电机m1的三相电源u、v、w连接；经过km2接触器后与外部2#注水泵电机m2的三相电源u、v、w连接；变频器vfd1的接地端pe与外部1#、2#注水泵电机m1、m2的接地端一起接地。plc供电电路由380v三相交流电源l1、1n线经过qf2微型断路器连接到plc电源接线端子l1和n上。开关电源供电电路由380v三相交流电源l1、1n、1p线经过qf3微型断路器连接开关电源l、n、pe端子，经过开关电源后，输出1l 、m端子，提供给控制电路。
33.本实施例中，控制面板包括就地/计算机选择按钮sa1、紧急停止按钮estop、故障复位按钮s1、启动按钮s2、停止按钮s3和双泵置位旋钮sa2，以及变频运行指示灯hl1、变频故障指示灯hl2、第一注水泵运行指示灯hl3和第二注水泵运行指示灯hl4，其中：就地/计算机选择按钮sa1为双置位按钮、包括两组触点，其中一组触点的一端与smart200型plc的i0.0端子连接，另一端与开关电源供电电路的正极输出端24v连接；就地/计算机选择按钮sa1的另一组触点一端与smart200型plc的i0.1端子连接，另一端与开关电源供电电路的正极输出端24v连接；紧急停止按钮estop为复位按钮，一端与smart200型plc的i0.2端子连
接，另一端与开关电源供电电路的正极输出端24v连接；故障复位按钮s1为复位按钮，一端与smart200型plc的i0.3端子连接，另一端与开关电源供电电路的正极输出端24v连接；启动按钮s2为复位按钮，一端与smart200型plc的i0.4端子连接，另一端与开关电源供电电路的正极输出端24v连接；停止按钮s3为复位按钮，一端与smart200型plc的i0.5端子连接，另一端与开关电源供电电路的正极输出端24v连接；双泵置位旋钮sa2为选择开关，一端与smart200型plc的i0.6端子连接，另一端与开关电源供电电路的正极输出端24v连接；变频运行指示灯hl1一端与smart200型plc的i0.7端子连接，另一端与开关电源供电电路的正极输出端24v连接；变频故障指示灯hl2一端与smart200型plc的i0.8端子连接，另一端与开关电源供电电路的正极输出端24v连接；第一注水泵运行指示灯hl3一端与smart200型plc的i0.9端子连接，另一端与开关电源供电电路的正极输出端24v连接；第二注水泵运行指示灯hl4一端与smart200型plc的i0.10端子连接，另一端与开关电源供电电路的正极输出端24v连接。
34.图中，控制面板还包括变频合阀反馈开关qf1和系统故障蜂鸣器等，连接方法同上。
35.实际工作时，为了提高设备的可靠性，采用就地、计算机工作两种模式工作。当控制面板选择开关置为就地，设定面板转速旋钮位置，将双泵选择开关置位1#或者2#注水泵，按下启动按钮，变频系统将按照设定转速开环运行，需要停止时，按下控制面板停止按钮即可。当控制面板选择为计算机位置，在操作站上位机直接按下启动按钮，变频系统根据进出口压力、连锁保护条件、储罐液位等自动调节闭环运行，上位机自动记录仪表数据、形成趋势和报表，方便查询；当系统出现报警和故障信号，变频系统发出音响报警，上位机按照发生、恢复时间自动记录，形成表格。
36.本实施例中，监控系统主要包括机组参数和工艺参数监控。其中机组参数主要包括泵站进出口压力的数据监控。注水工艺参数主要包括来水温度、来水压力等。一般情况下，为了能够确保注水量变化一致，按照实际用水量，对泵站采用变频器对注水电机的转速进行调节，确保注水量与注水要求一致。由于在实际过程中需要采用不同类型的参数设计，因此对于泵站的各种工况参数要进行及时采集，并作出相应的处理手段。此外，能够实现油田集输、注水泵站的自动监控，如果泵站处于不正常的运行状态，则会触发报警系统，整个系统中主要包含注水泵进水压力报警、储罐低液位报警系统等等，针对不同级别的报警进行优先级设定，从而使报警信息能够得到区分，在特殊情况下需要进行停机处理，工作人员应当按照事故等级，进行优先处理。当油田集输、注水泵站启动时，需要对每个泵站出口压力和系统压力之间的差值进行持续监测，由于变化压差的存在，智能注水监控系统能够确保泵站电机转速实现自我调节，确保出口压力值能够控制在合理范围之内，从而保证整个系统的安全运行。
37.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。