PCP(泵控泵)原理及应用.pdf

2 0 0 8 年第3 期工业仪表与自动化装置 5 1 P C P 泵控泵 原理及应用 吴九辅 李化龙 吴尽 西安石油大学电子工程学院 陕西西安7 1 0 0 6 5 摘要 注水是油田稳产的基础技术手段 特别是油田开发中后期 没有注水就没有原油产量 注水电耗已占原油生产总用电的3 3 5 6 注水对油田采收率 生产成本和生产效率有重大影 响 该文介绍了P C P 系统工作原理 采用先进的P u m p C o n t r o l P u m p 简称P C P 技术 开发了一 套完整的P C P 技术设备 实现了注水压流可调和节能 在全国各大油田获得了广泛应用 关键词 油田注水 泵站 增压泵 泵控泵 节能 自动化 中图分类号 T P 2 3文献标识码 A文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 0 8 0 3 0 0 5 1 0 4 T h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no fP C P P u m p C o n t r o l P u m p W UJ i u f u L IH u a l o n g W UJ i n C o l l e g e 矿E l e c t r o n i cE n g i n e e r i n gu n d e rX i a nP e t r o l e u mU n i v e r s 豇y S h a a n x iX i 7 1 0 0 6 5 C h i n a A b s t r a c t W a t e ri n j e c t i o ni st h em o s tb a s i ct e c h n o l o g yo fs t a b l ep r o d u c t i o ni na l lo i lf i e l d T h e r ei sn o c r u d eo i l y i e l dw i t h o u tw a t e ri n j e c t i o n e s p e c i a l l yi n t h em i d d l ea n dl a t e rh a l fo fo i lf i e l dd e v e l o p m e n t E l e c t r i cp o w e rc o n s u m p t i o nf o rw a t e ri n j e c t i o nm a k e su p3 3 t o5 6 i nt h et o t a lp o w e rc o n s u m p t i o no fo i lp r o d u c t i o n W a t e ri n j e c t i o nh a sag r e a ti n f l u e n c eo np r o d u c i b l eo i li n d e x t h ec o s ta n de f f i c i e n e y o fp r o d u c t i o n T h ea d v a n c e dP C Pt e c h n o l o g ya n di t sp r i n c i p l ea r ep u ti n t ou s ea n dac o m p l e t es e to fP C P t e c h n i c a le q u i p m e n ti sd e v e l o p e d w h i c hc a nr e g u l a t et h eo u t p u tp r e s s u r ea n df l o wo faw a t e ri n j e c t i o ns y s t e m t h u sa t t a i n i n gt h es a v i n go ne n e r g y N o wt h eP C Pt e c h n o l o g yh a sf o u n dw i d ea p p l i c a t i o ni no u rd o m e s t i co i lf i e l d K e yw o r d s o i lf i e l dw a t e ri n j e c t i o n p u m ps t a t i o n b o o s t e rp u m p P C P e n e r g ys a v i n g a u t o m a t i z a t i o n 0 引言 1 P C P 系统基本结构 在油田开发的中后期 注水保持地层能量和产 出液的平衡 是油田稳产的基础技术手段 随着原 油含水率的增高 注水电耗急剧增加 油田注水电耗 已占原油生产总用电的3 3 一5 6 引 因此注水 节能具有重大意义 国内油田的大部分注水泵站设备比较陈旧 工 艺流程不甚合理 自动化程度低 泵效低 注水单耗 高 J 注水泵的输出扬程和流量只能通过节流方 式来调节 能量损失严重 4 j 随着油田注水工艺的 发展 要求对注水泵站的运行工况进行实时监控 实 现注水泵站的优化运行 达到节能降耗目的 该文 在消化和吸收国外注水技术的基础上 结合国内实 际情况 经过几年的研究 首次提出了P C P 技术原 理 并成功研发了P C P 技术设备 收稿日期 2 0 0 8 一0 1 2 3 作者简介 吴九辅 1 9 4 2 一 男 教授 泵控泵压流可调自动化 注水装置 专利发明人 专利号0 2 2 2 4 6 9 5 9 主要从事工业自动化及 油田注水设备的研究 整个系统主要由机械系统 电控系统和辅助系 统3 大部分组成 如图1 所示 机械系统由一台注水泵及其驱动电机和一台前 置增压泵及其驱动电机组成 增压泵由一台小电机 直接驱动 为注水泵提供吸人压力 改善其吸人性 能 注水泵主要完成注水工作 它是整个泵站的主 体 系统工作时 通过调节增压泵的工作参数来调 节整个注水系统的输出压力和流量 使高压多级离 心注水泵工作在高效区 实现P C P 控制 电控系统主要由仪表和监控 计算机控制 高低 压供电及逻辑保护和变频调速4 部分组成 仪表监 控系统提供现场设备的运行参数 如压力 流量 温 度 转速和机械振动量等 和运行状态 对超越临界 状态的参数进行报警和单回路闭环控制 计算机系 统控制泵站主设备启停和自动运行 显示运行状态 和报警 实现泵站大闭环优化运行 高低压供电及 逻辑保护系统用来接通或切断驱动电机或其他负载 主回路 分配电能以及保护注水泵电机 增压泵电机 万方数据 5 2 工业仪表与自动化装置 2 0 0 8 年第3 期 图1P C P 注水泵站 等高低压电气设备 按连锁控制规律 实现顺序工作 控制主 备用油泵 主 备用冷却水泵 空气压缩机 加 热器 冷却塔风扇 增压泵电机 注水泵电机的合闸回 路和冷却水系统三通阀的开度调节 变频调速装置 通过调节增压泵驱动电机 控制泵站注水压力和流 量 并使高压注水泵始终工作在高效区 实现节能 润滑系统 冷却系统及空气压缩系统是构成 P C P 注水泵站的必备辅助系统 泵站内还配置了自 动应急油泵系统 以保证供电系统出现故障和注水 泵反转时 润滑油供应不间断 保护整个P C P 泵站 系统的安全 H f M t a 7 L 6 5 x 7 5 x 五 户 I f F C 上 L 弋 I 一 入 n k N I j 八 V 刀铲 7 L 一 01 0 02 0 03 0 04 0 0 Q m h 图2 增压泵日一Q 曲线 2 P C P 原理 2 1 P C P 设计思路 注水泵和增压泵串接 前置增压泵 小功率泵 简称小泵 为注水泵 大功率泵 简称 大泵 提供吸人压力 使大泵工作在 高效区内 并通过控制系统调节小泵 来控制大泵的输出压力和流量 实现 小泵控制大泵 简称泵控泵技术 2 2P C P 系统特性 P C P 系统由增压泵与注水泵串联 组成 水流经由增压泵增压和流量调 节后 再送入注水泵 经多级增压后输 出 因此P C P 系统的输出特性与增压 泵和注水泵的特性有关 图2 给出了增压泵对应不同转速 n l n 2 凡3 1 4 n 5 乃6 下的日一 Q 曲线 增压泵的输出压力为0 3 1 6M P a 或1 4M P a 中间变形圆曲 线为泵效曲线 其中当流量Q 3 0 0 n 1 5 h 左右时 增压泵的工作点最优 泵效最高 图3 为注水泵的 一q 曲线 当 流量Q 3 0 0I l l 3 h 左右时 注水泵泵效相对最高 可达到7 9 8 5 H M P a 1 6 洚水泵特 管同特竹 曲线 L 一 一 一 O1 0 02 0 03 0 04 0 0 Q m h 图3 注水泵日一Q 曲线 注水泵的吸入压力H 为 日 z 磊P l 一 注水泵的输出压力皿为 也 互 等一k 2 式 1 式 2 中 z 乙分别为注水泵人口和出口 的位能 p p 分别为注水泵人口和出口的静压 b 分别为注水泵人口和出口磨擦损失 p g 分别为 流体的密度和重力加速度 则注水泵净压力 扬程 a n 为 8 2 8 4 l 0 0 万方数据 2 0 0 8 年第3 期 工业仪表与自动化装置 5 3 A H Z 2 一Z 警 b k 3 仃J r 6 A H m H i 4 式 4 中 m 为注水泵的级数 只为注水泵的单级压 力 扬程 因为注水泵和增压泵串联 所以注水泵输出流 量Q 注等于流经增压泵的流量Q 增 输出压力等于注 水泵净压力 日和增压泵输出压力H 增之和 即系 统输出流量Q 总和输出压力H 总分别为 Q 总 Q 洼 Q 增 5 日总 A H H 增 m H i H 增 6 根据连续流量原理和泵的特性叠加原理 J 将 增压泵和注水泵的H Q 曲线相加 得到P C P 系统 在增压泵不同转速 n 1 1 n 下的H Q 曲线 如图4 所示 凰是系统在增压泵转速为n 流量为 Q 0 时的输出总压力 在注水系统的不同工况下 管 网的日一Q 曲线是不同的 图4 中A B 和C 分别表 示不同管网特性的H Q 曲线 1 t M P a A I C ll 工 警沁Z W 阀 耳 一7 刀 n 6 彩 0I u 02 0 03 0 u 4 w 口 m h 图4P c P 系统H Q 曲线 2 3 调压调流原理 泵的固有特性 鱼 1 1 2 7 Qln l 象 署 2 式 7 式 8 中 1 r 为泵的不同转速 Q Q 分 别为泵转速n n 时的流量 H 2 分别为泵转速 r n 时的压力 设Q Q 分别为增压泵转速n I 时的流量 即Q 增 Q Q 增 Q z 由式 7 得 Q z 增 9 将式 9 代人式 5 得 Q 2 Q z 增 等 Q 增 鲁 Q 总 c o 设E 也分别为增压泵转速n r 时的压力 即H 1 增 H 2 增 H z 由式 8 得 n 2 f f 增 1 1 o t 将式 1 1 代人式 6 得 n 2 鹄总 m H i l lH 增 1 2 由式 1 0 可知 系统输出流量的变化与增压泵 的转速成正比关系 调节增压泵的转速就可以调节 P C P 系统的输出流量 由式 1 2 可知 改变注水泵的级数m 输出压力 在比较大的范围内阶梯式变化 即实现输出压力的粗 略调节 改变增压泵的转速n 输出压力在小范围内 连续变化 即实现输出压力的精确调节 粗调和精调 相结合 可以高效准确调节P C P 系统的输出压力 P C P 系统输出压力和流量随管网特性的变化不 是等梯度 通过调节前置增压泵寻找系统平衡点 即 系统工作点 是系统调节压力和流量的关键 由式 1 0 和式 1 2 可知 P C P 系统可以形成定压闭环调 节和定流闭环调节 如图5 所示 目前国内油田注 水系统大部分为定压调节 以保证压力适应流量 压力反馈 压力I 匪豆酬管网扰动 圆叶匝卜固墅H 2 H 示 H 茜H 南卜 控制器土变频器莓赢耐崩l 理 一鳖i 图5 压力和流量调节系统 3 关键技术及创新 P C P 注水泵站与一般泵站相比 具有两大特点 P C P 系统通过控制低压小功率前置增压泵调节高 压注水泵输出压力和流量 实现无级调节 无节流能 量损失 保证了大功率注水泵在注水参数发生变 化时始终工作在高效区 达到了节能降耗的目的 其关键技术及创新如下 1 无节流能量损失的压力和流量调节 2 在注水参数发生变化时 保证大功率注水泵 始终工作在高效区 3 找到了增压泵与注水泵的广域匹配关系 4 研发了宽频高效增压泵 5 增压泵变频的负荷调节及分步控制 6 大闭环系统的连锁保护技术 含油污水泵设 M 风 屹 8 4 万方数据 5 4 工业仪表与自动化装置2 0 0 8 年第3 期 备的提升 4 应用实例及经济效益 胜利油田胜六注水站自从1 9 9 8 年进行P C P 技 术改造以来 注水平均单耗降低到4 8 7k W h m 3 平均泵效为8 2 与常规泵站相比 注水单耗下降 1 5 以上 泵效提高近1 0 日节电达2 5 1 0 4k W h 注水电机功率为68 0 0k W 至2 0 0 2 年1 0 月 累计节约电费l4 0 0 多万元 累计注水2 8 1 0 7 m 3 增产原油效益已有11 4 亿元 P C P 技术的应用 使停闭十余年的进口设备 30 0 0 万 盘活利用 解 决了原石油部胜六注引进泵站的老大难问题 并获 得了巨大的经济效益 大庆油田采油三厂北 一3 注水站自从2 0 0 4 年8 月应用P C P 技术以来 泵管压差下降1 8M P a 可调控在0 3M P a 内 注水单耗下降lk W h m 3 主泵流量提高2 0 泵效提高7 日节电70 0 0k W h 左右 且实现了压力和流量可调 达到了注水节 能降耗的目的 中原油田采油三厂卫城注水站自从2 0 0 6 年2 月应用P C P 技术以来 泵管压差可调控在0 5M P a 内 主泵流量提高2 0 注水单耗下降1 5 泵效提 高6 日节电60 0 0k W h 左右 且减轻了工人劳 动强度 提高了操作安全性 5 结论 P C P 技术通过低压小功率变频器调控前置增压 泵转速来调节注水泵输出压力和流量 使大功率注 水泵始终工作在高效区 实现了注水压力和流量自 动调节 目前 P C P 成套注水设备已在全国各大油 田全面推广 设备中心排量从1 5 0m 3 h 2 0 0m 3 h 2 5 0m 3 h 3 0 0m h 4 0 0m 3 h 一直到l0 0 0m h 都 已系列化 节能效果和经济效益非常显著 另外 P C P 技术还可应用于管道输油 城市给水排水及水 利工程中的泵站技术改造或新建 参考文献 1 丰国斌 油田注水系统节能 J 石油规划设计 1 9 9 6 7 2 7 9 2 常玉连 高胜 郭俊忠 注水管网系统模型简化技 术与计算方法研究 J 石油学报 2 0 0 1 2 2 2 9 5 一 l o o 3 段礼祥 张来斌 油田注水设备技术现状及发展方向 J 石油机械 2 0 0 5 3 3 1 0 6 8 7 1 4 王海文 王一平 高压变频技术在油田注水系统中的 应用和节能分析 J 石油工程建设 2 0 0 6 3 2 3 2 8 3 0 5 吴九辅 程为彬 泵控泵压流可调自动化注水装置 P 中国专利 0 2 2 2 4 6 9 5 9 2 0 0 3 0 3 0 5 6 刘竹溪 刘景植 水泵及水泵站 第三版 M 北京 中国水利水电出版社 2 0 0 6 上接第5 0 页 通过脚本语言本身具备了一定的交 互功能 利用I E 浏览器允许网页文本里面引用A c t i v e X 控件 可以通过S o c k e t 控件实现客户端和服务 器之间的实时T C P I P 连接 实现信息的即时上传 下载 并将浏览协议简化为S o c k e t 控件之间的操 作 这样服务器和浏览器之间的实时通信就表现为 两个S o c k e t 控件间的通信 信息传输协议可以灵活 地自己定义 不再拘泥于标准的h t t p 通信协议 既具 有灵活性又具有实时性 远程监控系统通过V B 6 0 实现A c t i v e X 控件的开发 完 成与现场监控计算机的通信及 数据的传输 例如 A c t i v e X 控 件嵌入W e b 网页的部分源码 如下 其中C L A S S I D 是在A c 图3 当前报警信息t i v e X 控件打包过程中由系统 的A c t i v e x 控件 生成的 当前报警信息的A c t i v e X 运行结果见图3 3 结论 基于W e d 的远程温度监控系统将传统的监控 技术与网络技术有机结合 既能更加有效地利用系 统资源 又可以将温度信息等迅速传输到需要的地 方供专家分析和领导决策 同时还可以实现远程故 障诊断 且成本低 因而具有较大的实用价值 参考文献 1 吴峰 李成铁 基于