水源井节能保护在线监控系统研究及应用

高宝元,谭欢,韩婧婧

(1. 中国石油集团川庆钻探工程有限公司 钻采工程技术研究院,陕西 西安 710018;2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,陕西 西安 710018)

目前,油田水源井存在潜水泵容量大,出水管线小的问题,造成了节流运行或反输回流,导致功率因数低下,有功功率和无功功率消耗过大,电能浪费十分严重;水源井水位无法检测,每次修井时,只能通过出水管观察静液面,经常发生空抽和干烧,既不安全又浪费电能,不能确保水源井向地层正常注水采油;水源井生产管理资料依靠人为估计,没有记载,生产参数不能远传和远程监控,不符合智能化油田发展需求[1]。

为了保证水源井正常供水及控制潜水泵在最佳运行状态,满足油田生产经营实际需求,研发了水源井节能保护在线远程监控系统,实现了水源井变频恒压供水,在线远程监控水位、出水压力、出水流量和潜水泵电参数,低水位预警、高水位自动启泵等功能,避免了水源井空抽和干烧等现象,优化了水源井工作制度流程,确保了水源井正常运行,达到了节能降耗的目的,从源头上保障了油田的注水量[2]。

1 水源井防空抽和干烧技术研究

为了防止水源井经常发生空抽和干烧,研发了水源井水位监控装置,如图1所示。该装置的射频导纳传感器探头平行安装在和潜水泵连接的出水管线管壁上,与潜水泵出水管线构成电解电容,其中射频导纳传感器探头为电解电容的正极,潜水泵连接的出水管线为电解电容的负极,水作为电解质。当电解质液位高度发生变化时,即水源井的水位发生变化,电容值也发生变化。

图1 水源井水位监控装置组成示意

采用射频导纳测量方法将电解质的阻抗和容抗信息综合在一起,水位发生变化,浸没传感器探头的深度就变化,射频导纳传感器探头与潜水泵出水管线构成电解电容值也在变化,包括电容量和导电量的变化,反映出电压频率的变化。通过该传感器探头把电压频率信号发送到井口地面上的射频导纳变送器,转换为4～20 mA信号上传到PC上位机,读取水源井水位变化曲线,通过PC上位机显示出实际水位,并记录储存水位数据。通过比较水位实际值与设定值后,可编程控制器(PLC)发出指令信号,控制潜水泵工作,高水位时自动启动潜水泵向外抽水,干抽时该泵停止向外抽水[3]。

2 水源井变频恒压供水节能技术研究

2.1 变频恒压控制系统的节能原理

为了使水源井的供水系统稳定运行,供水系统必须同时满足潜水泵扬程特性和管阻特性。扬程特性是以系统管路中的阀门开度不变为前提,表明潜水泵在某一转速下扬程H与流量qV之间的关系曲线,扬程特性所反映的是H与用水流量qV用间的关系H=f(qV用)。管阻特性是以潜水泵的转速不变为前提,表明阀门在某一开度下H与qV之间的关系曲线,管阻特性反映了潜水泵的功率用来克服供水系统的水位、压差以及水在管道中流动阻力的变化规律。改变阀门开度,实际上是改变了在某一扬程下,供水系统向用户的供水能力。

因此,管阻特性所反映的是H与供水流量qV供之间的关系H=f(qV供)。供水系统中H与qV供关系曲线如图2所示,管阻特性曲线与扬程特性曲线的交点为供水系统的工作点,即A点。当供水系统的qV用和qV供处于平衡状态,稳定运行,既满足了扬程特性,也符合了管阻特性。

图2 供水系统中H与qV供的关系曲线示意

在供水系统中,通常以控制流量为目的,常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。

阀门控制法是在潜水泵异步电动机转速保持不变的前提下,通过调节阀的开度来调节流量,其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量。因此,管阻将随阀门开度的改变而改变,但扬程特性不变。由于实际用水工况中,需水量是变化的,若阀门开度在一段时间内保持不变,必然会造成超压或欠压现象。

转速控制法是在阀门开度保持不变的前提下,通过改变驱动潜水泵的异步电动机的转速来调节流量,其实质是通过改变水的动能改变流量。因此,扬程特性将随潜水泵转速的改变而改变,但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制法,其工作原理是根据用水工况变化自动调节潜水泵异步电动机的转速,使管网压力始终保持恒定,当水量增大时异步电动机加速,水量减小时异步电动机减速。

由流体力学可知,潜水泵的输出功率P与管网的水压p及出水流量qV出的乘积成正比;潜水泵的转速n与qV出成正比;p与qV出的平方成正比。由上述关系可知,潜水泵的P与n的三次方成正比。采用阀门控制时,当流量为qV1,扬程为H0,该泵工作点在E点,当水量从qV1减小到qV2时,必须关小阀门,这时阀门的摩擦阻力变大,管阻特性曲线从b3移到b1,扬程特性曲线不变。若扬程从H0上升到H1,该泵运行工作点从E点移到F点,此时潜水泵的输出功率正比于H1qV2。当用转速控制时,采用恒压变速泵供水,管阻特性曲线为b2,扬程特性曲线由曲线1变为曲线2,工作点从E点移到D点。此时潜水泵输出功率正比于H0qV2,由于H1>H0,所以当用阀门控制流量时,正比于(H1-H0)qV2的输出功率被浪费掉,并且随着阀门的不断关小,阀门的摩擦阻力不断变大,管阻特性曲线上移,运行工作点也随之上移,于是H1增大,而被浪费的功率也随之增加。所以转速控制方式的供水功率要比阀门控制方式的要小得多,节能效果显著,采用上述控制方法时潜水泵的H与qV供关系变化曲线如图3所示。

图3 潜水泵的H与qV供关系变化曲线示意

当用变频恒压控制时,运行特性曲线如图4所示,若供水量变大,潜水泵工作在W1点,流量为qV1,扬程为H1。当供水量从qV1减小到qV2时,必须变频降低转速,而扬程则从H1下降到H2,运行工况点从W1点移到W2点,此时潜水泵的输出功率从P1变成P2。效率从η1变成η2,所以用变频恒压控制供水功率较小且能耗低。

图4 变频恒压控制运行特性曲线示意

2.2 潜水泵变频恒压控制流程设计

为了克服现有水源井潜水泵电能浪费严重以及水抽干时潜水泵不能自动断电的问题,设计了水源井变频恒压控制流程,如图5所示。

图5 水源井变频恒压控制流程示意

由图5可知,压力变送器、PLC、变频器、潜水泵以及驱动潜水泵的异步电动机,组成1个闭环调节系统,其中,潜水泵与异步电动机集成在一起。恒压控制系统通过安装在管道上的压力变送器实时检测出水管线的出水压力,并转换为4～20 mA的信号,该信号是实现恒压控制的关键参数。由于电信号为模拟量,故必须通过PLC的A/D转换模块读取并与设定值进行比较,将比较后的偏差值进行PID运算,运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号,控制变频器的输出频率,控制异步电动机的转速,进而控制潜水泵连接的出水管线的水量,最终使管道压力恒定,实现变频恒压控制[4]。

变频恒压供水系统的具体控制流程: 系统通电后按照接收到的有效启动信号,首先启动变频器,使潜水泵工作;根据压力变送器测得的出水管线的实际压力和设定压力的偏差值调节变频器的输出频率,控制异步电动机的转速;当输出压力达到设定值,异步电动机转速稳定到某一定值,异步电动机工作在该转速运行状态下。另外,当变频器出现故障时,异步电动机与软启动器电连接,能使潜水泵启动平稳,减少对电网和机械设备的冲击,也避免了传统供水系统中的水锤现象[5]。

3 在线监控系统设计

采用功率为30～75 kW,交流电压为(380±38)V,综合节电率大于20%的潜水泵;测量准确度为±1.0%,测量范围为0～900 m的射频导纳传感器与远程监控中心远程控制终端(RTU)模块组成在线监控系统。将PLC中水源井射频导纳传感器采集的水位、压力、流量、潜水泵电参数信号以及启停信号通过油田专网上传至数字化网络中[6],经过防火墙处理后送到监控交换机,进一步处理后的数据经过网络送入中心控制室计算机和工程师站,实现水源井在线远程监控和数据存储、网络发布[7]。

4 应用效果

2022年9月至10月,在长庆油田某采油厂13口水源井应用了节能保护在线监控系统,并进行了多次跟踪测试与分析。该系统实现了远程动态监测水源井水位、出水压力和流量以及潜水泵电参数,到达高水位时潜水泵自动开始抽水,到达低水位时潜水泵自动停止抽水[8],解决了水源井空抽和干烧,改善潜水泵供电电源的质量,保证了潜水泵的功率与实际负荷相匹配,达到了水源井节能运行的目的。水源井平均功率因数均从0.75提高到0.95以上,平均有功节电率为20.3%,平均无功节电率为30.7%,平均综合节电率为21.5%,同时减少了供电线路的损耗,提高了变压器负载能力;提升了水源井管理效率,优化了工作流程,保障了水源井正常运行,从源头上保障了油田的注水量。目前,长庆油田和延长油田有5×103多口水源井,应用市场前景十分广阔,将会产生巨大的经济效益和社会效益[9]。

5 结束语

应用水源井节能保护在线监控系统有以下优点:

1)水源井实现变频恒压供水,根据压力信号自动无级调整压力,供水质量好,与传统差压供水比较,不会造成管网破裂和共振现象,自动使潜水泵的差压降至零,节能效果明显。

2)水源井采用射频导纳技术检测水位,成本低、性能可靠、测量水位量程宽、误差小,安装简单,克服了传统投入式压力传感器测量水源井水位范围小,水位再深时压力隔膜容易损坏和发生密封胶漏失等弊端问题[10]。

3)变频软启动能使潜水泵平稳启动,减少对电网和机械设备的冲击,也避免了传统供水中的水锤现象,延长水源井维修周期,降低了修井工的劳动强度。

4)结合油田智能化管理,实现了水源井水位、出水量、出口压力、井筒水面、潜水泵三相电等必要生产数据的统一精细化管理与分析判断,提高了管理效率,及时发现故障,降低损失、保障供水,达到了科学预警,降低水源井运行成本,优化了水源井的运行工作流程,保障了水源井平稳运行并实现节能降耗的目的[11]。