吳成龍（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

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，受注水泵啟泵臺數變化、注水站注多類別水質需要運一備一或運二備一以及注水泵泵效低于規(guī)范要求的節(jié)能評價值等問題，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，通過分析注水泵特性與管路特性之間的關系，調整注水泵的運行狀態(tài)，從而合理匹配水量，實施后注水系統(tǒng)單耗下降0.10kWh/m3，有效減低了注水成本，提高了管網運行效率。

注水泵；水量匹配；優(yōu)化

1 現狀

喇嘛甸油田現有25座注水站、86臺注水泵。通過調研現場注水泵動態(tài)運行參數，發(fā)現部分注水泵出口壓力偏高，注水泵運行在低效區(qū)，注水量低于泵額定排量，從而導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)能耗和管網壓力偏高，影響注水泵排量匹配，同時受產能新建油水井鉆井及投產時注水系統(tǒng)壓力波動大、區(qū)域供注不均衡影響，水量、電量和泵水單耗波動較大，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，但日運行注水泵增幅卻遠高于注水量的增幅，2015年與2014年對比，日注水量減少了7986m3，但注水泵運行數量卻與2014年相當（表1）。

針對注水系統(tǒng)主要能耗節(jié)點，調查注水站動態(tài)運行數據，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，通過注水站注水量與注水泵匹配實驗仿真模擬及優(yōu)化匹配參數，采用優(yōu)化注水泵運行參數、注水泵動態(tài)調整等措施，實現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 調速泵的工作特性

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

式中：H——離心泵揚程，m；

Q——離心泵體積流量，m3/h；

n——調速后泵的轉速，r/min；

n0——調速前泵的轉速，r/min；

a,b——對應轉速n0時，泵特性方程中的兩個常數；

m——流態(tài)指數。

不同情況下注水泵的特性曲線不同，因此不能根據注水泵出廠時的標準曲線來判斷實際運行狀態(tài)下注水泵特性。根據注水泵歷史運行數據，通過最小二乘法擬合出該時間段內最符合注水泵運行狀態(tài)的特性曲線，從而滿足實際需求。

2.2 注水泵的工作特性

分析注水站水量變化趨勢，并結合注水泵的流量-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，使注水泵處于高效工作區(qū)以內，降低能耗。通過大量的數據擬合注水泵曲線方程。揚程-流量性能曲線：

式中：a0、a1、a2——擬合系數。

2.3 注水泵水量匹配仿真優(yōu)化

結合節(jié)點模型算法的優(yōu)點，開發(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，通過注水站注水量與注水泵匹配不同工況下的工作點，確定優(yōu)化注水泵運行參數、注水泵動態(tài)調整的措施。為方便處理原始數據，將復雜的管網結構圖轉換成可描述管網各節(jié)點連接情況的數學模型[3]。管段連接矩陣元素用Ai,j表示，代表節(jié)點與管段的連接情況（其中i表示管網節(jié)點，j表示管段），并且通過正負值表示管道流向。

表1 歷年注水系統(tǒng)日注水量對比

Ai,j=1，當節(jié)點i屬于管段j的起點時；Ai,j=-1，當節(jié)點i屬于管段j的終點時Ai,j=0，當節(jié)點i不屬于管段j的端點時。以圖1中6個節(jié)點，7個管段構成的環(huán)枝狀管網為例，注水管網拓撲結構見圖1。

圖1 注水管網拓撲結構圖

將管網連接結構表達式和流量平衡方程用矩陣表示，因此流量與壓力降關系可表示為

聯(lián)合節(jié)點流量和管段壓降平衡方程，確定管網求解矩陣：

初始化該矩陣后，設置算法的邊界條件。假設對管網編號為1～()n-h節(jié)點的壓力向量p1為已知量，交換流量q1為未知量；而對于編號為節(jié)點，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)點交換流量向量q1和節(jié)點壓力向量p2，再將上述求解值帶入方程中，求出各管段流量。在仿真過程中，經多次迭代，當目標殘差值小于限制值時，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)運行參數優(yōu)化過程中，以注水泵排量為優(yōu)化變量，注水系統(tǒng)耗電量最小為目標函數，則注水系統(tǒng)運行參數優(yōu)化的數學模型為

式中：f——注水單耗，kWh/m3；

n——一個注水站的注水泵臺數；

Qi——第i臺注水泵的排量，m3/h；

Hi——第i臺注水泵的出口壓力，MPa；

ηpi——第i臺注水泵的效率，%；

ηmi——第i臺注水電動機的效率，%。

匹配時以泵排量、壓力和電動機功率、轉速為主要參數，考慮管網壓差最小，以泵效較高和單耗較低為基準，調整主要通過注水站水量數據和注水泵特性曲線和流量上下限，基于注水站內注水泵的工作特性，調整運行注水泵的水量來匹配注水站來水量，同時優(yōu)化啟泵臺數和出口壓力參數，使注水泵處于高效工作區(qū)，達到節(jié)能降耗的目標[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輸入界面。

圖2 注水泵參數輸入界面

3 現場應用

以2016年喇北北塊為例，通過管網仿真模擬調整注水泵注入量，同時停運低效泵，提高注入量增加高效泵負荷，例如對3#、4#站的1#、2#泵重新進行運備調整，提高了注入量和泵效，實現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

匹配后運行狀態(tài)與實際運行狀態(tài)對比，注水泵運行5臺，注水系統(tǒng)水量優(yōu)化后水量較優(yōu)化前少3079m3的水量，滿足區(qū)域內系統(tǒng)注水量需求（表3）。

圖3 注水站參數輸入界面

通過對比匹配前和匹配后的注水系統(tǒng)的運行狀態(tài)，啟泵臺數為5臺，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。降低了運行成本，滿足了注水需求，實現了注水站水量和注水泵優(yōu)化匹配。

4 結論

通過注水站水量、壓力、能耗等運行參數調查分析，確定了注水站單站注水量與注水泵合理匹配的技術方案，注水系統(tǒng)水量優(yōu)化后水量較優(yōu)化前少3079m3的水量，滿足區(qū)域內系統(tǒng)注水量需求。通過調整注水泵的運行狀態(tài)，合理匹配水量，實施后注水系統(tǒng)單耗下降0.10kWh/m3，有效降低了注水成本，提高了管網運行效率。

[1]王東旭.產能鉆控對油田注水系統(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)注水量匹配運行狀態(tài)對比

[2]裴毅，田莉，楊曉珍，等.轉速變化對離心泵性能的影響[J].排灌機械工程學報，2007，25（4）：9-13.

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

[4]李忠江.注水系統(tǒng)仿真優(yōu)化技術的應用[J].中國石油和化工標準與質量，2013（8）：63.

[5]陳旭.喇嘛甸油田集輸系統(tǒng)摻水泵能耗技術探討[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（油氣井工程專業(yè)），從事油田經營管理及小油田開發(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）