喇嘛甸油田注水泵节能匹配方法及效果分析

2017-10-25吴成龙大庆油田有限责任公司第六采油厂

石油石化节能 2017年9期

吴成龙（大庆油田有限责任公司第六采油厂）

喇嘛甸油田注水泵节能匹配方法及效果分析

吴成龙（大庆油田有限责任公司第六采油厂）

喇嘛甸油田注水系统中，受注水泵启泵台数变化、注水站注多类别水质需要运一备一或运二备一以及注水泵泵效低于规范要求的节能评价值等问题，造成注水量与注水泵不易匹配，增加了注水系统控制能耗的难度。因此，通过分析注水泵特性与管路特性之间的关系，调整注水泵的运行状态，从而合理匹配水量，实施后注水系统单耗下降0.10kWh/m3，有效减低了注水成本，提高了管网运行效率。

注水泵；水量匹配；优化

1 现状

喇嘛甸油田现有25座注水站、86台注水泵。通过调研现场注水泵动态运行参数，发现部分注水泵出口压力偏高，注水泵运行在低效区，注水量低于泵额定排量，从而导致注水泵排量与注水站水量不易匹配，造成注水泵效率偏低，注水系统能耗和管网压力偏高，影响注水泵排量匹配，同时受产能新建油水井钻井及投产时注水系统压力波动大、区域供注不均衡影响，水量、电量和泵水单耗波动较大，增加了控制能耗的难度[1]。

以近5年的日注水量变化情况为例，普通水、深度水系统注水量上升幅度较小，但日运行注水泵增幅却远高于注水量的增幅，2015年与2014年对比，日注水量减少了7986m3，但注水泵运行数量却与2014年相当（表1）。

针对注水系统主要能耗节点，调查注水站动态运行数据，分析影响注水站注水量与注水泵不匹配的影响因素，在满足注水量和注水压力的前提下，通过注水站注水量与注水泵匹配实验仿真模拟及优化匹配参数，采用优化注水泵运行参数、注水泵动态调整等措施，实现各注水站水量与注水泵匹配措施。

2 注水泵管路特性与仿真优化

2.1 调速泵的工作特性

目前喇嘛甸油田多数注水泵采用变频调速控制，其转速变化后的泵特性可用下式[2]描述：

式中：H——离心泵扬程，m；

Q——离心泵体积流量，m3/h；

n——调速后泵的转速，r/min；

n0——调速前泵的转速，r/min；

a,b——对应转速n0时，泵特性方程中的两个常数；

m——流态指数。

不同情况下注水泵的特性曲线不同，因此不能根据注水泵出厂时的标准曲线来判断实际运行状态下注水泵特性。根据注水泵历史运行数据，通过最小二乘法拟合出该时间段内最符合注水泵运行状态的特性曲线，从而满足实际需求。

2.2 注水泵的工作特性

分析注水站水量变化趋势，并结合注水泵的流量-压力、流量-效率曲线，不断优化注水泵的水量和压力，在其满足注水要求的同时，使注水泵处于高效工作区以内，降低能耗。通过大量的数据拟合注水泵曲线方程。扬程-流量性能曲线：

式中：a0、a1、a2——拟合系数。

2.3 注水泵水量匹配仿真优化

结合节点模型算法的优点，开发环-枝状水力仿真模型算法，在满足注水量和注水压力的前提下，通过注水站注水量与注水泵匹配不同工况下的工作点，确定优化注水泵运行参数、注水泵动态调整的措施。为方便处理原始数据，将复杂的管网结构图转换成可描述管网各节点连接情况的数学模型[3]。管段连接矩阵元素用Ai,j表示，代表节点与管段的连接情况（其中i表示管网节点，j表示管段），并且通过正负值表示管道流向。

表1 历年注水系统日注水量对比

Ai,j=1，当节点i属于管段j的起点时；Ai,j=-1，当节点i属于管段j的终点时Ai,j=0，当节点i不属于管段j的端点时。以图1中6个节点，7个管段构成的环枝状管网为例，注水管网拓扑结构见图1。

图1 注水管网拓扑结构图

将管网连接结构表达式和流量平衡方程用矩阵表示，因此流量与压力降关系可表示为

联合节点流量和管段压降平衡方程，确定管网求解矩阵：

初始化该矩阵后，设置算法的边界条件。假设对管网编号为1～()n-h节点的压力向量p1为已知量，交换流量q1为未知量；而对于编号为节点，其交换流量q2为已知量，压力向量p2为未知量，则矩阵方程改写为

将上式相乘，得到如下方程：

由上述方程可以分别求出节点交换流量向量q1和节点压力向量p2，再将上述求解值带入方程中，求出各管段流量。在仿真过程中，经多次迭代，当目标残差值小于限制值时，可得到注水站水泵匹配的最优方案[4]。

2.4 注水泵水量匹配优化

在注水系统运行参数优化过程中，以注水泵排量为优化变量，注水系统耗电量最小为目标函数，则注水系统运行参数优化的数学模型为

式中：f——注水单耗，kWh/m3；

n——一个注水站的注水泵台数；

Qi——第i台注水泵的排量，m3/h；

Hi——第i台注水泵的出口压力，MPa；

ηpi——第i台注水泵的效率，%；

ηmi——第i台注水电动机的效率，%。

匹配时以泵排量、压力和电动机功率、转速为主要参数，考虑管网压差最小，以泵效较高和单耗较低为基准，调整主要通过注水站水量数据和注水泵特性曲线和流量上下限，基于注水站内注水泵的工作特性，调整运行注水泵的水量来匹配注水站来水量，同时优化启泵台数和出口压力参数，使注水泵处于高效工作区，达到节能降耗的目标[5]。图2和图3分别为注水泵匹配优化系统的注水泵和注水站参数输入界面。