吳成龍（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

喇嘛甸油田注水泵節(jié)能匹配方法及效果分析

吳成龍（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

喇嘛甸油田注水系統(tǒng)中，受注水泵啟泵臺(tái)數(shù)變化、注水站注多類別水質(zhì)需要運(yùn)一備一或運(yùn)二備一以及注水泵泵效低于規(guī)范要求的節(jié)能評(píng)價(jià)值等問(wèn)題，造成注水量與注水泵不易匹配，增加了注水系統(tǒng)控制能耗的難度。因此，通過(guò)分析注水泵特性與管路特性之間的關(guān)系，調(diào)整注水泵的運(yùn)行狀態(tài)，從而合理匹配水量，實(shí)施后注水系統(tǒng)單耗下降0.10kWh/m3，有效減低了注水成本，提高了管網(wǎng)運(yùn)行效率。

注水泵；水量匹配；優(yōu)化

1 現(xiàn)狀

喇嘛甸油田現(xiàn)有25座注水站、86臺(tái)注水泵。通過(guò)調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)注水泵動(dòng)態(tài)運(yùn)行參數(shù)，發(fā)現(xiàn)部分注水泵出口壓力偏高，注水泵運(yùn)行在低效區(qū)，注水量低于泵額定排量，從而導(dǎo)致注水泵排量與注水站水量不易匹配，造成注水泵效率偏低，注水系統(tǒng)能耗和管網(wǎng)壓力偏高，影響注水泵排量匹配，同時(shí)受產(chǎn)能新建油水井鉆井及投產(chǎn)時(shí)注水系統(tǒng)壓力波動(dòng)大、區(qū)域供注不均衡影響，水量、電量和泵水單耗波動(dòng)較大，增加了控制能耗的難度[1]。

以近5年的日注水量變化情況為例，普通水、深度水系統(tǒng)注水量上升幅度較小，但日運(yùn)行注水泵增幅卻遠(yuǎn)高于注水量的增幅，2015年與2014年對(duì)比，日注水量減少了7986m3，但注水泵運(yùn)行數(shù)量卻與2014年相當(dāng)（表1）。

針對(duì)注水系統(tǒng)主要能耗節(jié)點(diǎn)，調(diào)查注水站動(dòng)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析影響注水站注水量與注水泵不匹配的影響因素，在滿足注水量和注水壓力的前提下，通過(guò)注水站注水量與注水泵匹配實(shí)驗(yàn)仿真模擬及優(yōu)化匹配參數(shù)，采用優(yōu)化注水泵運(yùn)行參數(shù)、注水泵動(dòng)態(tài)調(diào)整等措施，實(shí)現(xiàn)各注水站水量與注水泵匹配措施。

2 注水泵管路特性與仿真優(yōu)化

2.1 調(diào)速泵的工作特性

目前喇嘛甸油田多數(shù)注水泵采用變頻調(diào)速控制，其轉(zhuǎn)速變化后的泵特性可用下式[2]描述：

式中：H——離心泵揚(yáng)程，m；

Q——離心泵體積流量，m3/h；

n——調(diào)速后泵的轉(zhuǎn)速，r/min；

n0——調(diào)速前泵的轉(zhuǎn)速，r/min；

a,b——對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速n0時(shí)，泵特性方程中的兩個(gè)常數(shù)；

m——流態(tài)指數(shù)。

不同情況下注水泵的特性曲線不同，因此不能根據(jù)注水泵出廠時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)曲線來(lái)判斷實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下注水泵特性。根據(jù)注水泵歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘法擬合出該時(shí)間段內(nèi)最符合注水泵運(yùn)行狀態(tài)的特性曲線，從而滿足實(shí)際需求。

2.2 注水泵的工作特性

分析注水站水量變化趨勢(shì)，并結(jié)合注水泵的流量-壓力、流量-效率曲線，不斷優(yōu)化注水泵的水量和壓力，在其滿足注水要求的同時(shí)，使注水泵處于高效工作區(qū)以內(nèi)，降低能耗。通過(guò)大量的數(shù)據(jù)擬合注水泵曲線方程。揚(yáng)程-流量性能曲線：

式中：a0、a1、a2——擬合系數(shù)。

2.3 注水泵水量匹配仿真優(yōu)化

結(jié)合節(jié)點(diǎn)模型算法的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)環(huán)-枝狀水力仿真模型算法，在滿足注水量和注水壓力的前提下，通過(guò)注水站注水量與注水泵匹配不同工況下的工作點(diǎn)，確定優(yōu)化注水泵運(yùn)行參數(shù)、注水泵動(dòng)態(tài)調(diào)整的措施。為方便處理原始數(shù)據(jù)，將復(fù)雜的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)換成可描述管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)連接情況的數(shù)學(xué)模型[3]。管段連接矩陣元素用Ai,j表示，代表節(jié)點(diǎn)與管段的連接情況（其中i表示管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，j表示管段），并且通過(guò)正負(fù)值表示管道流向。

表1 歷年注水系統(tǒng)日注水量對(duì)比

Ai,j=1，當(dāng)節(jié)點(diǎn)i屬于管段j的起點(diǎn)時(shí)；Ai,j=-1，當(dāng)節(jié)點(diǎn)i屬于管段j的終點(diǎn)時(shí)Ai,j=0，當(dāng)節(jié)點(diǎn)i不屬于管段j的端點(diǎn)時(shí)。以圖1中6個(gè)節(jié)點(diǎn)，7個(gè)管段構(gòu)成的環(huán)枝狀管網(wǎng)為例，注水管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 注水管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

將管網(wǎng)連接結(jié)構(gòu)表達(dá)式和流量平衡方程用矩陣表示，因此流量與壓力降關(guān)系可表示為

聯(lián)合節(jié)點(diǎn)流量和管段壓降平衡方程，確定管網(wǎng)求解矩陣：

初始化該矩陣后，設(shè)置算法的邊界條件。假設(shè)對(duì)管網(wǎng)編號(hào)為1～()n-h節(jié)點(diǎn)的壓力向量p1為已知量，交換流量q1為未知量；而對(duì)于編號(hào)為節(jié)點(diǎn)，其交換流量q2為已知量，壓力向量p2為未知量，則矩陣方程改寫為

將上式相乘，得到如下方程：

由上述方程可以分別求出節(jié)點(diǎn)交換流量向量q1和節(jié)點(diǎn)壓力向量p2，再將上述求解值帶入方程中，求出各管段流量。在仿真過(guò)程中，經(jīng)多次迭代，當(dāng)目標(biāo)殘差值小于限制值時(shí)，可得到注水站水泵匹配的最優(yōu)方案[4]。

2.4 注水泵水量匹配優(yōu)化

在注水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中，以注水泵排量為優(yōu)化變量，注水系統(tǒng)耗電量最小為目標(biāo)函數(shù)，則注水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為

式中：f——注水單耗，kWh/m3；

n——一個(gè)注水站的注水泵臺(tái)數(shù)；

Qi——第i臺(tái)注水泵的排量，m3/h；

Hi——第i臺(tái)注水泵的出口壓力，MPa；

ηpi——第i臺(tái)注水泵的效率，%；

ηmi——第i臺(tái)注水電動(dòng)機(jī)的效率，%。

匹配時(shí)以泵排量、壓力和電動(dòng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)速為主要參數(shù)，考慮管網(wǎng)壓差最小，以泵效較高和單耗較低為基準(zhǔn)，調(diào)整主要通過(guò)注水站水量數(shù)據(jù)和注水泵特性曲線和流量上下限，基于注水站內(nèi)注水泵的工作特性，調(diào)整運(yùn)行注水泵的水量來(lái)匹配注水站來(lái)水量，同時(shí)優(yōu)化啟泵臺(tái)數(shù)和出口壓力參數(shù)，使注水泵處于高效工作區(qū)，達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)[5]。圖2和圖3分別為注水泵匹配優(yōu)化系統(tǒng)的注水泵和注水站參數(shù)輸入界面。

圖2 注水泵參數(shù)輸入界面

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

以2016年喇北北塊為例，通過(guò)管網(wǎng)仿真模擬調(diào)整注水泵注入量，同時(shí)停運(yùn)低效泵，提高注入量增加高效泵負(fù)荷，例如對(duì)3#、4#站的1#、2#泵重新進(jìn)行運(yùn)備調(diào)整，提高了注入量和泵效，實(shí)現(xiàn)了注水量的合理匹配（表2）。

表2 喇北北塊注水站水量與注水泵匹配方案

匹配后運(yùn)行狀態(tài)與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)對(duì)比，注水泵運(yùn)行5臺(tái)，注水系統(tǒng)水量?jī)?yōu)化后水量較優(yōu)化前少3079m3的水量，滿足區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)注水量需求（表3）。

圖3 注水站參數(shù)輸入界面

通過(guò)對(duì)比匹配前和匹配后的注水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，啟泵臺(tái)數(shù)為5臺(tái)，在滿足注水系統(tǒng)注入水量需求和注水壓力的前提下，注水系統(tǒng)單耗由5.62kWh/m3降低至5.52kWh/m3，注水耗電量降低20892kWh。降低了運(yùn)行成本，滿足了注水需求，實(shí)現(xiàn)了注水站水量和注水泵優(yōu)化匹配。

4 結(jié)論

通過(guò)注水站水量、壓力、能耗等運(yùn)行參數(shù)調(diào)查分析，確定了注水站單站注水量與注水泵合理匹配的技術(shù)方案，注水系統(tǒng)水量?jī)?yōu)化后水量較優(yōu)化前少3079m3的水量，滿足區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)注水量需求。通過(guò)調(diào)整注水泵的運(yùn)行狀態(tài)，合理匹配水量，實(shí)施后注水系統(tǒng)單耗下降0.10kWh/m3，有效降低了注水成本，提高了管網(wǎng)運(yùn)行效率。

[1]王東旭.產(chǎn)能鉆控對(duì)油田注水系統(tǒng)影響分析[J].石油石化節(jié)能，2016，6（11）：34-35.

表3 喇北北塊注水系統(tǒng)注水量匹配運(yùn)行狀態(tài)對(duì)比

[2]裴毅，田莉，楊曉珍，等.轉(zhuǎn)速變化對(duì)離心泵性能的影響[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，25（4）：9-13.

[3]張嘉興，陳思奇，李欣洋，等.油田環(huán)狀注水管網(wǎng)水力仿真計(jì)算綜述[J].遼寧化工，2016（12）：1520-1522.

[4]李忠江.注水系統(tǒng)仿真優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013（8）：63.

[5]陳旭.喇嘛甸油田集輸系統(tǒng)摻水泵能耗技術(shù)探討[J].石油石化節(jié)能，2015（12）：46-47.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.09.015

吳成龍，工程師，2012年畢業(yè)于東北石油大學(xué)（油氣井工程專業(yè)），從事油田經(jīng)營(yíng)管理及小油田開(kāi)發(fā)工作，E-mail：clwu@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市讓胡路區(qū)第六采油廠，163114。

2017-05-30

（編輯沙力妮）