注水站分压改造确立合理分压点的方法

摘要

一种注水站分压改造确立合理分压点的方法，设定注水站可在任意压力点进行分压注水，将注水压力3MPa到13.5MPa范围内以0.5MPa为一个间隔设定21个假设分压点；计算各假设分压点分压注水方案注水站输出最小有用功；计算各假设分压注水方案的注水站内机组效率；计算假设分压点分压注水方案注水站的能耗；比对优选最低能耗方案，通过各假设分压点分压注水方案注水站的能耗对比，即可得出若干最低能耗分压注水方案；投资比对优选最优方案，对若干最低能耗分压注水方案的注水站站内注水泵机组的调整改造工程方案和站外管网调整工程方案进行设计，对各方案的投资额度进行对比，即可选择出投资最低能耗最低的注水站分压注水方案。

说明书

技术领域

本发明涉及一种注水站分压改造确立合理分压点的方法，找出注水站分压改造最低能耗分压点选择的科学途径和理论模板，为高压离心泵注水站分压节能技术改造提供一条快捷有效合理的途径。>

背景技术

目前油田污水回注模式基本为：采出液在污水站进行油气水分离后污水通过低压调水系统进入注水站，由高压离心泵站对其进行升压后输至外网各配水间再到单井进行回注。而在整个过程中，由于各单井地层渗透率差异大，对来水压力需求不一，高低相差大的甚至能达到10MPa以上，但注水泵站出口压力为一个恒定的最高需求值，这就导致在整个系统运行过程中会存在阀控截留，能量损失这一不可避免的环节。在部分注水压力差异大的系统，能耗损失非常严重，整个系统效率也远低于正常值。目前的高压离心泵站分压改造技术的核心部分分压点的选择均是通过试算确立，并没有扎实的理论依据和充分的论证。而在整个分压改造实施的过程中，分压点的确立恰恰是重中之重，它将直接影响到分压改造节能降耗的效果和整个工程投入的高低。本发明的目的即是通过对各假设分压点分压注水方案注水站输出最小有用功、注水站内机组效率、注水站能耗的计算方法进行的理论探讨，找出注水站分压改造最低能耗分压点选择的科学途径和理论模板，为高压离心泵注水站分压节能技术改造提供一条快捷有效合理的途径。在类似这样的系统中对注水站进行分压改造就具备了必要性和 可行性。本发明即以胜利油田胜利采油厂胜九注水区域为例，阐述在如何在该区域选择合理分压点进行分压改造才能使得系统能耗最低并且投入最少，效益最高。也为今后高压离心注水泵站分压注水节能技术改造提供了理论依据。>

发明内容

本发明的目的是提供一种注水站分压改造确立合理分压点的方法，克服上述已有技术存在的缺陷。>

本发明的技术方案是通过以下方式实现的：>

A、设定注水站可在任意压力点进行分压注水，将注水压力3MPa到13.5MPa范围内以0.5MPa为一个间隔设定21个假设分压点；>

B、计算各假设分压点分压注水方案注水站输出最小有用功；计算注水站在每一个假设分压点下进行分压注水时高压系统的注水量和低压系统的注水量，通过高低压注水系统的注水压力和注水量推算出每一个假设分压点分压注水方案注水站需要输出的最小有用功；>

C、计算各假设分压注水方案的注水站内机组效率，对每一个假设分压注水方案匹配一套注水泵机组，按照不同排量离心泵泵效曲线求得每套方案的注水泵泵效，取恒定电机效率，即可计算出每一个假设分压注水方案的注水站内机组效率；>

D、计算假设分压点分压注水方案注水站的能耗，通过每一个假设分压点分压注水方案注水站需要输出的最小有用功和注水站内机组效率即可计算出每一个假设分压点分压注水方案注水站的能耗；>

E、比对优选最低能耗方案，通过各假设分压点分压注水方案 注水站的能耗对比，即可得出若干最低能耗分压注水方案；>

F、投资比对优选最优方案，对若干最低能耗分压注水方案的注水站站内注水泵机组的调整改造工程方案和站外管网调整工程方案进行设计，对各方案的投资额度进行对比，即可选择出投资最低能耗最低的注水站分压注水方案。>

最小有用功的计算步骤：>

计算注水站泵压>

每口注水井的方案改造后预测注水井需求注水站泵压的计算方法如下：>

Pf＝ΔP+Py＝Pb-Pg+Py>

其中：Pf---方案改造后预测注水井需求注水站泵压，单位MPa；>

ΔP---目前注水站到配水间的实际管损，单位MPa；>

Pb---目前注水站泵压，单位MPa；>

Pg---目前配水间干压，单位MPa；>

Py---目前注水井配水间油压，单位MPa。>

计算注水量>

各假设分压点分压改造方案高低压系统水量计算公式如下：>

Qg(x)＝Qj(x～x+0.5)+Qj(x+0.5～x+1)……+Qj(13～13.5)>

Qd(x)＝Qj(0～3)+Qj(3～3.5)+Qj(3.5～4)……+Qj(x-0.5～x)>

其中:Qg(x)---假设改造方案高压系统注水量，单位m³；>

Qd(x)---假设改造方案低压系统注水量，单位m³；>

Qj(x～x+0.5)---分布于对应假设分压点x至x+0.5MPa区间的单井水量，单位m³；>

x----假设改造方案高低压系统分压点，单位MPa。>

计算最小有用功>

各假设分压点注水方案高低压部分输出的最小有用功。>

Wg＝Qg(x)×13.5>

Wd＝Qd(x)×x>

Wy＝Wg+Wd>

其中：Wg表示系统对高压部分水量提升到13.5MPa所做的功，单位J>

Wd表示系统对低压部分水量提升到x所做的功，单位J>

Wy表示注水站输出的最小有用功，单位J>

机组效率计算步骤：>

拟合出两条任意排量情况下的泵效曲线图(图5图6)>

根据目前国内目前生产各型号离心泵排量-泵效对应关系，拟合出两条任意排量情况下泵效曲线图(DF160上下泵排量-泵效对应关系变化大)。>

DF160以下：y＝18.41ln(x)+24.03，>

DF160以上：y＝0.217x+74.91>

其中：y表示理论泵效>

x表示泵排量(x为0～500范围内的任意排量)>

泵型优选和泵效计算>

根据两条拟合曲线，假设某分压点泵排量需求为Am³(A>500),两台泵排量分别为Zm³和Ym³,则可以得到以下关系:Z+Y＝A(Z、Y≤500),两台泵泵效则为：∮＝{[(18.41ln(Z)+24.03]×Z+(0.217Y+74.91)×Y}/A,或者∮＝{[(18.41ln(Z)+24.03]×Z+[(18.41ln(Y)+24.03]×Y}/A，>

其中：∮表示不同泵型组合后的理论排量>

Z、Y分别表示两台泵的排量>

经推导可得出，当Z×Y最小时，泵效最大,即泵效∮与Z(A-Z)成反比，因此在泵组合时应选择排量最大和最小的两种泵进行匹配，在现有的技术条件下，其中一台泵排量为500m³/h泵，另一台则为需求排量的剩余部分。>

分压点最低能耗计算>

各假设分压点注水站的总能耗即电机的输入功的计算方法：>

N＝Wy/∮(x)>

其中：N为注水站总能耗，单位J>

Wy为之前计算所得注水站输出最小有用功，单位J。>

∮(x)为假设分压点x的机组效率。>

通过计算得出各假设分压点注水站总能耗：>

将各假设分压点总能耗乘以注水站标准标耗得到其耗电量，>

q＝N×0.2697kW·h/m³MPa。>

其中：q为耗电量，单位kW·h>

N为注水站总能耗，单位J>

0.2697kW·h/m³MPa为计算所得标准标耗>

当假设分压点为10.0MPa、11MPa时，耗电量相对较低，分别为76789kW·h/天、77036kW·h/天。>

本发明的优点是：通过对各假设分压点分压注水方案注水站输出最小有用功、注水站内机组效率、注水站能耗的计算方法进行的理论探讨，找出注水站分压改造最低能耗分压点选择的科学途径和理论模板，为高压离心泵注水站分压节能技术改造提供一条快捷有效合理的途径>

附图说明

图1-注水流程示意图>

图2-注水实际需求泵压范围正态分布图>

图3-水量-假设分压点关系图>

图4-各假设分压点泵站输出做功统计图>

图5-注水排量每小时160立方以下泵效曲线图>

图6-注水排量每小时160立方以上泵效曲线图>

图7-各假设分压点注水站总能耗曲线图>

图8-各假设分压点水量-日耗电-分压点关系图>

图1中A-注水总站B-注水分站C-配水间1、2、3-注水井号。>

具体实施方式

为进一步公开本发明的技术方案，下面结合说明书附图通过实施 例作详细说明：>

本发明的技术方案是通过以下方式实现的：>

A、设定注水站可在任意压力点进行分压注水，将注水压力3MPa到13.5MPa范围内以0.5MPa为一个间隔设定21个假设分压点；>

B、计算各假设分压点分压注水方案注水站输出最小有用功；计算注水站在每一个假设分压点下进行分压注水时高压系统的注水量和低压系统的注水量，通过高低压注水系统的注水压力和注水量推算出每一个假设分压点分压注水方案注水站需要输出的最小有用功；>

C、计算各假设分压注水方案的注水站内机组效率，对每一个假设分压注水方案匹配一套注水泵机组，按照不同排量离心泵泵效曲线求得每套方案的注水泵泵效，取恒定电机效率，即可计算出每一个假设分压注水方案的注水站内机组效率；>

D、计算假设分压点分压注水方案注水站的能耗，通过每一个假设分压点分压注水方案注水站需要输出的最小有用功和注水站内机组效率即可计算出每一个假设分压点分压注水方案注水站的能耗；>

E、比对优选最低能耗方案，通过各假设分压点分压注水方案注水站的能耗对比，即可得出若干最低能耗分压注水方案；>

F、投资比对优选最优方案，对若干最低能耗分压注水方案的注水站站内注水泵机组的调整改造工程方案和站外管网调整工程方案进行设计，对各方案的投资额度进行对比，即可选择出投资最低能耗最低的注水站分压注水方案。>

具体实施例：>

一、注水站分压节能技术改造合理分压点确立方法>

(一)计算各假设分压点分压注水方案注水站输出最小有用功>

1、各注水井需求注水泵压的计算>

胜九注水站将坨二联合站处理的污水通过高压离心泵升压至13.5MPa后输至各配水井，由配水井分配至各单井(如图1)。其中各(支)干线、单井管线均存在管网损失，配水间存在阀控损失。为方便研究问题，从源头开始，对方案改造后预测各注水井需求注水站泵压进行计算。由于分压注水方案实施前后各(支)干线直径、长度、流量、流速、材质均按照油田注水管网设计标准进行设计，因此可以认为注水站分压改造前后各注水井管损一致。那么，每口注水井的方案改造后预测注水井需求注水站泵压的计算方法如下：>

Pf＝ΔP+Py＝Pb-Pg+Py>

其中：Pf---方案改造后预测注水井需求注水站泵压，单位MPa；>

ΔP---目前注水站到配水间的实际管损，单位MPa；>

Pb---目前注水站泵压，单位MPa；>

Pg---目前配水间干压，单位MPa；>

Py---目前注水井配水间油压，单位MPa。>

经过计算得出每口注水井方案改造后预测注水泵压，按照注水泵压每0.5MPa为一个间隔区间，可以得到注水井在需求注水泵压压力区间的井数正态分布图。从图2中可以看到，胜九注各个注水泵压压力区间基本都有注水井井存在，分布相对较为分散。>

2、各假设分压点分压注水方案高低压注水量的计算>

注水泵压在3MPa到13.5MPa范围内以0.5MPa为一个间隔设定21个假设分压点，按照上述注水泵压压力区间的井数正态分布，对各假设分压点的高低压部分水量分别进行统计，注水井的注水实际需求泵压小于(等于)假定分压点的井水量计入低压系统，注水井的注水实际需求泵压大于假定分压点的水量计入高压系统，各假设分压点分压改造方案高低压系统水量计算公式如下：>

Qg(x)＝Qj(x～x+0.5)+Qj(x+0.5～x+1)……+Qj(13～13.5)>

Qd(x)＝Qj(0～3)+Qj(3～3.5)+Qj(3.5～4)……+Qj(x-0.5～x)>

其中:Qg(x)---假设改造方案高压系统注水量，单位m³；>

Qd(x)---假设改造方案低压系统注水量，单位m³；>

Qj(x～x+0.5)---分布于对应假设分压点x至x+0.5MPa区间的单井水量和，单位m³；>

x----假设改造方案高低压系统分压点，单位MPa。>

通过计算，得到各假设分压点分压改造方案高低压系统水量分布(如图3)。为下一步注水站输出最小有用功的计算奠定基础。>

3、各假设分压点分压注水方案注水站输出最小有用功的计算>

掌握在各假设分压点注水方案分压的状况下，高低压部分的水量和提升压力需求，根据标耗的计算方法：1方水提升1MPa所做的功，可以得到各假设分压点注水方案高低压部分输出的最小有用功(如图4)。>

Wg＝Qg(x)×13.5>

Wd＝Qd(x)×x>

Wy＝Wg+Wd>

其中：Wg表示系统对高压部分水量提升到13.5MPa所做的功，单位J>

Wd表示系统对低压部分水量提升到x所做的功，单位J>

Wy表示注水站输出的最小有用功，单位J>

(二)各假设分压注水方案的注水站内机组效率的计算>

在第一大部分的研究中，我们从外网各单井注水的实际需求出发，顺着单井—配水间—注水站的方向，排除阀控节点的损失，计算得到了分压改造后各假设分压点注水站需要做的最小有用功。但这个功还只是理论需求，泵站运行时存在电机效率、泵效和泵干压差三个因素影响，而泵干压差在分压改造前后变化小，对系统整体研究的影响基本可以忽略；电机效率经考察目前国内的水平基本都在96％左右，这两个因素不作为本文研究的对象，下步我们对站内的泵效作深入研究。>

目前，在16MPa注水系统里，我国多级离心泵发展水平基本情况为：在运行相对平稳的条件下，排量可以最高达到500m³/h，泵型越大，理论泵效越高，最高可以达到83％。而我们之前对分压改造后高低压水量的计算表明，部分假设分压点水量可能大于500m³/h，这时，我们就需要通过两个合理排量的泵的组合来满足注水需求，因此如何确定合理的泵型组合，以求泵效最高、能耗最低是下步研究的关 键所在。我们分三步研究：>

1、各假设分压注水方案注水站泵型的匹配>

各假设分压点值确定后，根据相应高低压部分水量计算泵瞬时排量需求值(见表1)。当排量小于等于500m³/h时，使用单个多级离心泵即可；当排量大于500m³/h时，需用两台泵进行匹配组合满足排量需求。>

表1各假设分压点泵瞬时排量需求值>

排量需求大于500m³/h的假设分压点共存在以下20种情况(如表2)，为方便研究，首先固定其中1个泵的泵型，并以每50m³作为一个台阶进行选泵，对这些组合方式进行研究，找出组合后泵效最高 的方式。>

表2大于500m³/h排量泵组合统计表>

下一步根据不同的泵排量找出泵效最高的组合方式。>

2、单个多级离心泵和多个离心泵匹配排量与效率关系的论证>

目前胜利采油厂各注水站共有多级离心泵36台，运转17台，这些离心泵排量和泵效如表：>

表3：采油厂在用注水泵站实际泵效统计表>

这些泵的排量与泵效间基本遵循排量越大泵效越高的关系，为找寻任意排量泵的理论泵效，我们首先对现有的泵排量-理论泵效关系进行研究(如表4)。>

表4：离心泵排量-理论泵效对应关系表>

根据目前国内目前生产各型号离心泵排量-泵效对应关系，拟合出两条任意排量情况下泵效曲线图如图5、6(DF160上下泵排量-泵效对应关系变化大)。>

DF160以下：y＝18.41ln(x)+24.03，>

DF160以上：y＝0.217x+74.91>

其中：y表示理论泵效>

x表示泵排量(x为0～500范围内的任意排量)>

根据这两条拟合曲线，我们需要通过理论计算解决前面表2中提到的排量需求大于500m3/h的假设分压点共存在的20种情况泵型的优选。>

假设某分压点泵排量需求为Am³(A>500),两台泵排量分别为Zm³和Ym³,则可以得到以下关系:Z+Y＝A(Z、Y≤500),两台泵泵效则为：∮＝{[(18.41ln(Z)+24.03]×Z+(0.217Y+74.91)×Y}/A,或者>

∮＝{[(18.41ln(Z)+24.03]×Z+[(18.41ln(Y)+24.03]×Y}/A，>

其中：∮表示不同泵型组合后的理论排量>

Z、Y分别表示两台泵的排量>

经推导可得出，当Z×Y最小时，泵效最大,即泵效∮与Z(A-Z)成反比，因此在泵组合时应选择排量最大和最小的两种泵进行匹配，在现有的技术条件下，其中一台泵排量为500m³/h泵，另一台则为需求排量的剩余部分。>

3、各假设分压注水方案的注水站内机组效率的计算>

根据以上排量-泵效对应曲线的研究，将排量代入公式，即能得出排量小于等于500m³/h时，单个多级离心泵泵效和当排量大于500m³/h时两台泵匹配组合的平均泵效。各大于500m³/h排量需求的分压点泵型选择如表5：>

表5大于500m³/h排量泵合理组配统计表>

根据各泵型理论泵效计算公式，计算各假设分压点高低压部分理论泵效，两部分加权平均后得到整个系统的理论泵效，电机效率统一按照96％计算，即可得到各假设分压点站内机组效率。(如表6)>

表6各假设分压点站内机组效率统计表>

(三)在各假设分压注水方案中比对优选最低能耗方案>

通过以上两部分的理论研究，我们得到了各假设分压点分压后泵站的输出功以及机组效率，下步就可以对站的能耗做出预测，通过对各假设分压点能耗高低的计算确定合理分压点。>

1、胜九注水站标准标耗计算>

胜九注2012年1-12月份生产基本状况(表7)：>

此处引入标准标耗概念即胜九注在站综合效率假定为100％的状态下的标耗，这个概念相当于把注水站所有内部损耗因素均排除在外，即在电机效率、泵效均为100％，泵干压差为0的状态下的注水站标耗，为下步分压后总耗电的计算做铺垫。目前胜九注的运行情况为平均日供水17301m³，日耗电85465kW·h，标准标耗0.2697kW·h/m³MPa。>

2、各假设分压点分压注水方案注水站的能耗计算>

各假设分压点注水站的总能耗即电机的输入功的计算方法：>

N＝Wy/∮(x)>

其中：N为注水站总能耗，单位J>

Wy为之前计算所得注水站输出最小有用功，单位J>

∮(x)为假设分压点x的机组效率>

通过计算得出各假设分压点注水站总能耗(如图7)。>

将各假设分压点总能耗乘以注水站标准标耗得到其耗电量：>

q＝N×0.2697kW·h/m³MPa。>

其中：q为耗电量，单位kW·h>

N为注水站总能耗，单位J>

0.2697kW·h/m³MPa为计算所得标准标耗>

当假设分压点为10.0MPa、11MPa时，耗电量相对较低，分别为76789kW·h/天、77036kW·h/天。如图8>

3、比对优选最低能耗方案>

对比各分压点总能耗曲线图可以得出：当假设分压点为10.0MPa、11.0MPa时，耗电量相对较低，分别为76789kW·h/天、77036kW·h天。选择这两个假设分压点做方案对比分析，下一步根据其高低压水量匹配站内离心泵及站外管网，优选投资较低方案。>

(四)论证投资比对优选最优分压注水方案>

1、各分压方案的工程设计思路和方案优选>

工程设计思路主要遵循以下三点原则：(1)根据不同分压点高低压水量的不同，通过注水泵泵体更新、电机充分利旧，形成高低压2套泵组，并且高低压注水泵互为备用；(2)高低压部分分水器联通，当低压部分出现问题时，高压泵可以供水；(3)站外管网低压管线充分利旧、合适位置新建尽可能少的配水间、高低压注水井就近分配，以最少投资建设高效新外网。>

通过第三部分对能耗高低的研究，我们选择10MPa(方案一)和11MPa(方案二)两个分压点做方案对比，做投资对比。>

2、方案预测与改造前注水站能耗指标对比>

改造前胜九注水站日耗电量85469kW·h，平均泵效67.2％，改造后方案一预计日耗电76789kW·h，年节约电费205.9万元，方案二预计日耗电77036kW·h，年节约电费200.1万元。>

表8分压前后运行情况对比表>

经设计部门预算，项目总投资月为800万元，四年可收回。>

四、结论>

1、注水站的分压改造方案是下一步高压节能的有效途径。>

2、分压改造的技术关键在于分压点的选择，而分压点的选择取决于节能降耗的力度。分压改造是否可行取决于投入产出比。>

3、本文建立了分压注水最低能耗最小投资分压点选择的科学途径和理论模板。为今后高压离心注水泵站分压注水节能技术改造提供了理论依据。>