提高注水泵運(yùn)行效率的精細(xì)調(diào)控方法

梁振輝（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

“十三五”以來喇嘛甸油田注水耗電逐年上升，截止2019 年底，全廠共建有注水站25 座，配水間86 座，注入站58座，注水井4 480口，各類注水干線363 km；注水站共安裝高壓注水機(jī)組85 套，總注水能力為45.29×104m3/d，實際運(yùn)行機(jī)組 44 套，平均注水量為34.47×104m3/d，平均負(fù)荷率為76.11%。注水系統(tǒng)年耗電7.14×108kWh ，年運(yùn)行注水泵15 838 臺次，日均運(yùn)行注水泵43.50 臺次，注水系統(tǒng)平均泵水單耗5.90 kWh/m3，泵出口壓力16.16 MPa，泵管壓差0.76 MPa。

1 存在問題及治理措施

1.1 存在問題

GB/T 31453—2015 油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范，規(guī)定了各種額定排量泵型的效率評價指標(biāo)，例如額定排量為400 m3/h 的泵，泵效達(dá)到78%及以上，高于節(jié)能評價值，該泵就處在高效區(qū)運(yùn)行；泵效在72%～78%，該泵就處于合理區(qū)運(yùn)行；泵效低于72%，該泵就處于低效區(qū)運(yùn)行。注水泵泵效評價指標(biāo)見表1。

統(tǒng)計分析2019 年全廠85 臺高壓注水泵共啟泵運(yùn)行15 838臺次，其中高于泵效節(jié)能評價值（高效區(qū)）運(yùn)轉(zhuǎn)的為3 949 臺次，僅占全年運(yùn)行總天數(shù)的24.93%，其它在運(yùn)時間均處于非高效區(qū)運(yùn)行，全廠注水系統(tǒng)機(jī)組整體平均運(yùn)行效率低，增加了注水系統(tǒng)的能源消耗，2019年全廠注水泵運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計匯總見表2。

表2 2019年全廠注水泵運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計匯總

1.2 原因分析

1）泵體本身有問題。由于長期運(yùn)行，泵內(nèi)的葉輪、導(dǎo)葉、口環(huán)等易損件與泵體摩擦，出現(xiàn)縫隙，造成水量漏失，影響了機(jī)組效率。

2）運(yùn)行工況存在問題。由于注水泵的運(yùn)行參數(shù)不合理，造成注水泵處于非高效區(qū)運(yùn)行，工作人員通常是在注水泵啟泵待電流、壓力穩(wěn)定后便不再對泵的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)（因沒有調(diào)控依據(jù)），管理方式比較粗獷，保證注水泵平穩(wěn)、安全運(yùn)行即可，經(jīng)統(tǒng)計共有47 臺泵由于運(yùn)行參數(shù)不合理而處于非高效區(qū)運(yùn)行[1-2]。

表1 注水泵泵效評價指標(biāo)

1.3 治理措施

1）針對泵體本身造成效率低的機(jī)組，擬通過實施低效注水泵更換或機(jī)組三保大修，更換注水泵內(nèi)部葉輪、口環(huán)等磨損件，來提高機(jī)組機(jī)械性能[3]。

2）針對由運(yùn)行工況問題引起效率低的機(jī)組計劃通過實施注水泵運(yùn)行參數(shù)精細(xì)調(diào)控措施，使注水機(jī)組進(jìn)入或接近于高效區(qū)運(yùn)行，達(dá)到低耗高效運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。

2 精細(xì)調(diào)控方法的實施

2.1 精細(xì)調(diào)控方法簡介

特性曲線能直觀反映機(jī)組運(yùn)行的合理性，每臺注水泵出廠時都有固定的特性曲線，但隨著運(yùn)行工況的改變，特性曲線會發(fā)生變化，高效運(yùn)行區(qū)間也隨之發(fā)生了偏移，注水泵運(yùn)行特性曲線見圖1。

圖1 注水泵運(yùn)行特性曲線

通過重新繪制注水泵在當(dāng)前工況下的特性曲線，確定其高效運(yùn)行區(qū)間對應(yīng)各項數(shù)據(jù)參數(shù)，以此為依據(jù)，對注水泵實施精細(xì)調(diào)控，使其處于或接近于高效運(yùn)行區(qū)域，從而達(dá)到降低了注水泵耗電的目的[4-5]。

2.2 特性曲線的繪制

繪制注水泵特性曲線的普遍方法：從機(jī)組啟泵到平穩(wěn)運(yùn)行過程中錄取8～10 個數(shù)據(jù)點(diǎn)，將采集到的數(shù)據(jù)信息通過計算后繪制出完整的特性曲線[6]。但是現(xiàn)場試驗過程中發(fā)現(xiàn)存在以下問題：一是運(yùn)行機(jī)組停泵后如要再次啟動，為保護(hù)泵體需要有近2 h 的緩沖時間，停泵會對生產(chǎn)造成影響；二是機(jī)組從啟泵到平穩(wěn)運(yùn)行時間很短，數(shù)據(jù)參數(shù)信息變化較快且不穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)時間不夠，無法精準(zhǔn)采集數(shù)據(jù)[7-8]。

通過分析將特性曲線的前半部分稱為非有效區(qū)，因為在該區(qū)域內(nèi)注水機(jī)組運(yùn)行參數(shù)不穩(wěn)定，易造成泵體損壞，機(jī)組無法長時間運(yùn)行，因此這部分的特性曲線對機(jī)組運(yùn)行的調(diào)控?zé)o指導(dǎo)意義；特性曲線后半部分機(jī)組可平穩(wěn)運(yùn)行的有效區(qū)域才是運(yùn)行機(jī)組的可調(diào)控區(qū)間，注水泵運(yùn)行特性曲線區(qū)域分布見圖2。

圖2 注水泵運(yùn)行特性曲線區(qū)域分布

機(jī)組運(yùn)行過程中，在有效區(qū)域內(nèi)對機(jī)組參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，采集對應(yīng)的電流、出口壓力數(shù)據(jù)，通過計算繪制出機(jī)組在該區(qū)域內(nèi)的部分特性曲線，即可完成對注水機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的調(diào)控，實現(xiàn)了不停泵測試特性曲線[9-10]。

2.3 現(xiàn)場應(yīng)用

喇五注2#注水泵精細(xì)調(diào)控現(xiàn)場試驗：喇五注水站共有注水泵3 臺，運(yùn)1 備2，來水水質(zhì)為普通水，來水壓力0.04 MPa，管網(wǎng)壓力14.5 MPa，試驗選取的2#注水泵額定排量300 m3/h，調(diào)控前瞬時流量368 m3/h，運(yùn)行電流217 A，泵效為77.71%，根據(jù)注水泵指標(biāo)規(guī)范，該泵處于高效區(qū)運(yùn)行。

對喇五注2#注水注水泵進(jìn)行現(xiàn)場測試，測試數(shù)據(jù)見表3。依據(jù)測試數(shù)據(jù)重新繪制了機(jī)組在當(dāng)前工況下的特性曲線圖，喇五注水站2#泵特性曲線見圖3。

以特性曲線為依據(jù)對機(jī)組實施運(yùn)行參數(shù)精細(xì)調(diào)控， 措施后2#機(jī)組的泵效由77.71%提高到80.66%，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)更臨近高效區(qū)運(yùn)行的最佳工況點(diǎn)，泵水單耗下降0.14 kWh/m3。

表3 喇五注2#注水泵測試數(shù)據(jù)

圖3 喇五注水站2#泵特性曲線圖

2.4 結(jié)果分析

2019 年共對18 臺注水泵實施了精細(xì)調(diào)控措施，各機(jī)組運(yùn)行效率均有不同程度提高，18臺機(jī)組泵水單耗平均下降0.102 kWh/m3。個別機(jī)組調(diào)控效果不明顯（單耗下降小于0.05 kWh/m3），分析原因為：一是機(jī)組調(diào)控前已經(jīng)處于高效運(yùn)行區(qū)，提升空間較??；二是注水站同時啟泵2 臺，存在爭水現(xiàn)象導(dǎo)致水量不足；三是注水管網(wǎng)壓力高，影響了機(jī)組調(diào)控效果。注水泵調(diào)控前后效果統(tǒng)計見表4。

通過實驗結(jié)果得知，調(diào)控后18 臺注水機(jī)組的泵水單耗平均下降0.102 kWh/m3，單臺機(jī)組平均月度節(jié)電在2.3×104kWh 左右，電價按0.632 元/kWh計算，單臺機(jī)組每月經(jīng)濟(jì)效益為1.5 萬元，18 臺機(jī)組實施精細(xì)調(diào)控措施的年經(jīng)濟(jì)效益預(yù)計為300萬元，節(jié)電效果明顯。

同時依據(jù)調(diào)控前后效果對比分析，總結(jié)出適合應(yīng)用精細(xì)調(diào)控方法的注水機(jī)組條件：

1）因三保大修后特性曲線會發(fā)生變化，機(jī)組運(yùn)行時間臨近三保時間的注水機(jī)組不適合測試（暫定8 000 h）。

2）管網(wǎng)壓力直接影響特性曲線測試及調(diào)控效果，依據(jù)經(jīng)驗暫定管網(wǎng)壓力高于15.5 MPa的不適合測試。

3）機(jī)組供水量不足影響注水泵最高測試點(diǎn)的采集，因此最好選擇供水量充足的注水站（單泵運(yùn)行的注水站）。

表4 注水泵調(diào)控前后效果統(tǒng)計

3 結(jié)論

1）通過現(xiàn)場試驗驗證，應(yīng)用注水泵合理運(yùn)行精細(xì)調(diào)控方法對注水泵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，對實現(xiàn)注水泵提高運(yùn)行效率、降低泵水單耗的目標(biāo)切實有效。

2）通過對注水機(jī)組特性曲線分析得知，在有效區(qū)域內(nèi)采集對應(yīng)數(shù)據(jù)信息繪制出的部分特性曲線才會對機(jī)組運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整具有指導(dǎo)意義，改進(jìn)了特性曲線測試方法，實現(xiàn)不停泵測試特性曲線。

3）通過注水泵特性曲線測試?yán)L制出單臺注水機(jī)組在當(dāng)前工況下的注水泵精細(xì)調(diào)控圖版，現(xiàn)場工作人員可在保證生產(chǎn)和安全的前提下依據(jù)圖版的調(diào)控意見，對注水機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)實施精細(xì)調(diào)控。