注水是油田开发的一种重要的方式, 是一种维持油田高产稳产的有效措施。但同时, 注水也是能耗大户, 注水泵站用电约占油田生产总用电的30%。目前油田80%的注水站均配套了自动化系统, 但大部分参数采集不全面, 尤其缺乏对电量参数和泵工况的采集和安全联锁保护, 且系统老旧严重, 自动化系统应用意义不大[1]。另外, 站内只实现了总耗电量计量, 对不同机泵的单耗没有准确的计量, 无法实现设备能耗情况分析, 电量统计仍采用人工填报形式, 自动化程度低, 信息孤立。
针对上述问题, 为确保注水泵安全高效运行, 提高注水站自动化水平, 实现注水泵站能耗自动监测分析, 大港油田开展了注水泵站生产参数及能耗自动监测系统研究, 并根据研究成果开展现场试验应用。
1 系统设计
注水站生产参数及能耗自动监控系统采用分布式网络结构, 共分为四层:数据采集层---集中控制层---站内组态层—分析应用层[2]:
1.1 数据采集层
现场数据采集层主要实时检测现场生产数据, 通过现场检测仪表及传感器对各生产节点的数据进行实时采集并传输至集中控制层。
采集参数:注水泵进口母管压力, 出口汇管压力及流量, 单泵电量 (电量电压及变频状态) 、进出口压力、出口流量、定子温度、油箱温度、轴瓦温度、压力。
1.2 集中控制层
集中控制层主要由PLC系统构成, 集中监控现场采集数据, 并对数据进行运算和处理, 同时通过TCP/IP形式将数据传输到监控计算机实现站内组态监控。
1.3 站内组态层
站内组态层主要由组态软件构成实现数据的站内监控, 安装在监控计算机上, 与PLC通讯, 对采集的实时数据进行集中处理和展示, 并通过油田局域网将数据上传至分析应用层。
1.4 分析应用层
由数据服务器、能耗监控分析系统软件和用户终端组成, 对数据进行集中管理分析, 实现注水站能耗自动计算分析, 并通过网络进行统一展示与发布[3]。
本系统注水站能耗监测主要指标包括:注水泵容积效率、电机效率、机组效率、注水站效率、注水站单耗。
(1) 注水泵容积效率:注水泵的实际排量与额定排量的比值。
式中:ηi容-注水泵容积效率; Qi-注水泵实际排量, m3/h;Qi额-注水泵额定排量, m3/h。
(2) 电机运行效率:电动机的输出功率与输入功率之比。
式中:ηi 注水电机-注水泵电机效率; Nio-电机空载功率, KW;Ii-电机输入电流, A;Ri-电机定子直流电阻, kΩ;K-电机损耗系数。
(3) 机组效率:注水泵输出的有效功率与电机输入功率的比值。
式中:ηi 注 水 泵 机 组-注水泵机组效率; P2-注水泵出口压力, MPa;P1-注水泵进口压力, MPa;Ui-注水电机输入电压, V;Ii-注水电机输入电流, A;cosφi-电机功率因数。
(4) 机组单耗
瞬时单耗:注水泵电机的输入功率与注水泵实际排量的比值。平均单耗:单位时间内总耗电量 (KW·h) 与注水量 (m3) 的比值。
式中:qi注水机组—注水泵机组单耗, KW·h/m3。
根据注水泵的运行压力计算合格单耗:qi 注水机组= (P2-P1) ·Qi/ (3.6ηi注水泵机组) ;ηi注水泵机组=80-85%。
(5) 注水站单耗
瞬时平均单耗:注水站内运行注水泵电机的输入功率之和与注水泵实际排量之和的比值。平均单耗:注水站内单位时间内运行泵耗电量 (KW·h) 之和与注水站输出水量 (m3) 之和的比值。
2 现场应用
基于上述研究, 注水站生产参数及能耗自动监控系统在大港油田采油三厂29座注水站开展了现场应用, 实现了站内生产参数自动采集、集中监控, 注水泵超压、超温停泵保护, 机泵能耗状况实时监测, 同时在统一应用层实现了所有注水站电量及主要生产参数的统一管理应用, 并计算泵站单耗、平均容积效率、平均电机功率、泵站效率, 单泵单耗、容积效率和电机效率并通过过油油田田局局域域网网络络发发布布, , 截截止止目目前前系系统统运运行行稳稳定定, , 效效果果良良好好。。
3 结语
本系统以注水站为研究对象, 建立了一套软、硬件相结合的注水站生产参数及能耗自动监控系统, 实现了机泵主要生产参数自动采集、监控、实时计算、注水泵超压、超温停泵保护、能耗指标分析等功能, 为注水站向精细化、自动化、数字化建设方向发展奠定了基础。
摘要：本文根据实际需求, 对油田注水泵站生产参数采集和能耗现状进行了分析, 提出了存在的问题, 并针对问题开展了注水站生产参数及能耗自动监控系统研究, 完成了设计系统结构, 并经现场应用, 取得了较好的效果, 具有一定推广价值。
关键词：高效运行,生产参数,能耗监测,现场应用
参考文献
[1] 晏耿成.基于数字化注水站的能耗监测与分析系统设计.石油天然气学报, 2013.35:52-53。
[2] 韩璞, 周黎辉, 孙海蓉, 黄宇.分散控制系统的人机交互技术.电子工业出版社, 2007.9:32-35。
[3] 邓丽君.标准化注水站在油田地面工程建设中的应用.中国石油和化工标准语质量, 2012.15:23-25。