注水优化控制系统

注水优化控制系统WaterInjectionSupervisoryControlSystem陕西天程石化设备有限公司（西安天程仪表自动化研究所）核心技术：注水管网优化软件PCP（泵控泵）泵站系统背景中央政府在“十一五”期间提出：“单位国内生产总值能源消耗降低20％左右、主要污染物排放总量减少10%等目标”。国家发改委等有关部门已开始修订节能法，以加大节能力度。并已锁定1000家高耗能企业，主要集中在钢铁、有色金属、煤炭、电力、石油、石化、化工、建材、船舰等高耗能行业和年耗能万吨标准煤以上的企业。把节能指标作为干部考核的重要指标，以改变目前单纯的GDP考核。在国家发改委2006年经济运行新闻发布会上获悉，全国重点行业节能降耗工作稳步推进。中国石油、中国石化、中国海油三大石油公司预计在过去的一年节约能源350万吨标准煤，节水1亿立方米。在07年对于三大石油公司提出了更高的节能指标要求，寻求和开发新的节能技术在保证石油产量稳步增长的同时降低能源消耗是全国各大油田公司面临的重要课题。ISO9001-2000认证企业

1.油田注水现状和问题伴随油田开发而建成的注水系统，由于近年来注水量不断增加等原因，出现了泵的运行方案与实际配注量不相匹配，注水系统压力和流量不能及时调整等问题，导致注水能耗不断增加，影响经济效益，具体问题如下:压力和流量不可调节，注水量和配注量不匹配由于不同时期油田开发配注量的调整，以及洗井、管道破裂等原因，使油层注入压力和注入量处于变化中，造成注水泵排出量与配注量不匹配。为了适应注水量变化的需求，通过人工调整开泵台数或调节出口阀门来控制流量，泵组在节流状态下运行，使得注水泵运行偏离了高效区，且阀门处又因节流损失了大量的能量，如果人工调节不及时，超注或欠注，都将影响原油高产稳产。管网布局不合理，系统运行效率低

长期以来对油田地面注水系统的规划研究一直未引起人们足够的重视，在确定开采方案的过程中，大多数的关于注水管网方面的设计还停留在凭经验设计的阶段上，由于布局不合理等原因，注水干线、支线的水头损失（管网沿程损失、局部损失）严重，管网运行效率低，能量损失大。ISO9001-2000认证企业

1.油田注水现状和问题设备陈旧、工艺落后、泵效低

油田大部分注水系统都是伴随着油田早期建设而建成，投运时间较长，磨损严重，泵效偏低；注水系统部分改造，全局统筹不够，造成局部注水站超负荷，管线结垢、腐蚀严重；布线、接线等方面工艺落后，故障率较高，泵损严重，增加了维护的难度和工作量。目前，大部分的泵站的泵效都在70%以下，注水压力18Mpa左右，每注1方水耗电量在7.2-8KWH之间。开泵运行方案，泵站改造、建设方案难以确定由于油田管网各节点压力和流量存在差异，动态非线性，且节点数量大，不易分析计算其运行参数，所以要从根本上解决设备优选、开泵方案、运行方案以及管线如何改造，还缺少准确的数据依据及预测机制。国内外注水系统效率和能耗ISO9001-2000认证企业

1.油田注水现状和问题同时，国外注水自动化水平比国内高，全部运行工况和故障情况，包括注水压力，流量，效率，功率，振动，温度等都实现了计算机监控。但从国外引进成套设备，投资太大，且不符合我国油田的内外部环境，尤其是水质和供电情况。目前，国内陆上油田已进入了中后期开采阶段，注水成了保证原油高产稳产的基础，然而油田生产成本的30-50%为电能的消耗，而注水电耗一般占油田生产总用电的33-56%，因此，注水优化控制系统的研究对原油增产和节能降耗具有重大意义。

2001年我国生产原油近14000万吨，综合含水量为85-86%，则注水量最少为：14000万吨÷（1-86%）=100000万吨即100000万立方注水。若在现在的基础上，每注1立方米水节约1KWH，每度电以0.5元计算，则每年的生产成本可节约：100000×1×0.5=50000万元（5亿元）ISO9001-2000认证企业

2.注水系统能量损耗

油田注水系统主要由电机、注水泵、调节阀、注水管网、配水间、注水井等组成。除了注入地层的有效能量外，注水系统能量要消耗在电机、注水泵、调节阀、注水管网、注水井处，因此构成了注水系统的总能耗。系统输入能量注水泵损耗泵管压差损耗管网损耗节流损耗电机损耗ISO9001-2000认证企业

2.注水系统能量损耗能耗在系统输入能量中的比重

电机能耗：4%～5%注水泵能耗：20%～28%管网能耗：20%～25%（包括调节阀节流能耗）注水系统的能量利用可用注水系统效率表示：

影响注水系统效率的主要因素是注水泵效率和管网效率，而影响注水泵效率和管网效率的主要因素是注水系统的运行方案。当注水系统运行方案合理时，系统能耗较低；反之，系统能耗较高。

结论注水系统节能降耗的关键是制定合理系统运行方案ISO9001-2000认证企业

3.注水管网优化软件的提出为了适应原油生产变化的要求，需要对管网进行改造，仅依靠管理人员的经验进行改造设计，不能提出准确的、合理的改造方案；在注水系统运行中，如何使泵站与管网注水匹配运行是系统节能重要方面，由于系统庞大，无法准确量化计算管网系统中各个环节运行状况和匹配情况。对于庞大的油田注水管网系统，国内至今还没有研制出一套成型的、合理的解决方案，大多只是理论研究阶段或不实用的一些产品。在当前节能、降耗、增效的大环境下，陕西天程石化设备有限公司和新疆石油管理局认为在现有的技术条件下能够寻找到一套科学的解决方法，从注水系统的角度，解决存在的诸多问题，为以后的系统改造提供依据，于2002年提出了《注水管网动态模拟及优化系统》研究课题。经过多年的研究，陕西天程攻克了多个学科诸多技术难题，在注水管网动态模拟及优化系统研发中取得了一系列成果，达到了系统算法国内首创，系统功能国内领先。ISO9001-2000认证企业

3.注水管网优化软件的提出研究的主要内容：1.根据实际注水需求，制定注水系统开泵、参数调整等动态管理运行方案；2.找出系统流程中效率低的部分和环节，为管网改造提供依据；3.找出生产运行中摩阻变大、效率变低等异常变化的管段或部位，为生产管理或技术改造提供依据；4.为新增管网或设备方案的制定提供计算依据和模拟验证；5.实现图形处理，数据库的交互式共享。ISO9001-2000认证企业

3.注水管网优化软件的提出技术思路：分析归纳节点单元规律特点，并进行相关测试与实验建立数学模型并研究简化计算方法模型参数现场计算方法及误差减小方法研究系统算法及合理步长、约束条件编制注水系统动态数值模拟软件历史拟合及验证软件的挂接及输入输出等其它功能的实现ISO9001-2000认证企业

3.1注水管网优化软件的研发历程①②③④⑤⑥⑦⑧2001年，现场勘察、调研，大量数据测试。2002年，分析、论证，注水管网优化软件立项研发。2003年，现场水力实验，摩阻系数测试。2004年，模型、算法研究。2005年，计算机实现，测试版发行。2006年，实际应用、改进，正式版发行。2007年，与PCP技术结合，实现大闭环优化控制。2008年，增强2008版推出。ISO9001-2000认证企业

3.2水力实验注水管线结垢情况极其复杂，且结垢极其不规则。必须通过实验的方法来求得λ、d、Δ等值。这些实验结果是后续研究的依据。管线结垢严重管线结垢不规则Δ：绝对粗糙度；

d：管径；

λ：水力摩阻系数；

Re：雷诺数。ISO9001-2000认证企业

3.2水力实验尼古拉兹实验对管中沿程阻力作了全面研究尼古拉兹实验曲线其中：Ⅰ：层流区Ⅱ：临界区Ⅲ：光滑管紊流区

Ⅳ：过渡区Ⅴ：粗糙管紊流区ISO9001-2000认证企业

3.2水力实验五个阻力区范围与λ计算公式ISO9001-2000认证企业

3.2水力实验hff=h1+h2hff=h1-h2水力摩阻系数测试实验装置流程示意图水头损失测量示意图ISO9001-2000认证企业

3.3模型研究模型的准确性关系系统的适用价值，因此我们在前期研究中以模型研究为重点.模型简化进行实际验算，三项式最大误差为0.03MPa，二项式最大误差为0.04MPa，根据现场仪表精度，二项式方程即可满足要求。通过泵内损失分析，注水泵的实际扬程与实际流量主要呈3次方以内的关系。模型系数计算方法:我们采用最小二乘法来减少系数计算中的误差

任意曲线都可以用多项式来表示理论依据适用性分析模型公式:

Q∈[B/2A，350m3/h]注水泵模型ISO9001-2000认证企业

3.3模型研究建立了简易水力试验平台，对不同内径（ø168、ø114、ø60）、不同结垢状况的6根注水管线进行了测试，共取得流速（2m/s～6.3m/s）下的38组数据。通过对实验数据进行分析，引入了管损的当量值算法。

d=128.2mmσ=1.62△=24.9mmσ=0管线模型ISO9001-2000认证企业

3.3模型研究树杈结构单元计算方法：节点3的压力假设为Px干支线模型ISO9001-2000认证企业

3.4算法研究过程控制迭代变量迭代关系式注水井流量为迭代变量多变量输入输出系统，循环结果做为下次计算输入，无法保证计算结果的收敛性和稳定性以注水井压力是否满足为迭代方向的判定条件，设定合理步长进行迭代计算迭代终止条件控制为主，迭代次数限制为辅

所需的迭代次数是确定的或相对稳定的值

压力为流量的函数，单个注水井流量对系统干扰小ISO9001-2000认证企业

3.4算法研究输入初始值反演计算正演计算子系统划分输出算法流程自动列解方程ISO9001-2000认证企业

3.4算法研究井注水量压力计算配水间流量计算管线流量压力计算泵流量压力计算

计算数据存入内存

泵流量压力计算

配水间流量计算管线流量压力计算井流量压力计算压力平衡点搜索井压力不满足环节搜索正演计算流程反演计算流程ISO9001-2000认证企业

3.5计算机实现拓朴结构解析方法自动列解方程的方法数据库的存放优化

难点ISO9001-2000认证企业

3.6系统功能管网模拟系统特性比较生产管理合理建议数据采集注水方案开泵方案智能诊断拓扑结构模型计算ISO9001-2000认证企业

3.6系统功能运行状态计算：实时计算注水系统各环节压力和流量，分析电机的负荷程度，泵站运行特性、运行效率及系统效率，指导泵站出口阀的调节和调度管理。ISO9001-2000认证企业

3.6系统功能注水方案开泵方案：

利用管网模型系数和不同特性的泵，模拟计算出各个泵站区域效率、系统效率以及各环节的压力和流量，通过多方案模拟比较，指导泵站系统优选注水方案和改造方案，使系统运行效率最高。ISO9001-2000认证企业

3.6系统功能ISO9001-2000认证企业

3.6系统功能管网拓扑方案：

通过设计泵站、管线、配水间和注水井拓扑图，模拟计算出系统的注水状态：系统效率；泵站压力、流量、泵效率、电机负荷率；管线的压力、流量、管损；配水间压力；判断注水量是否符合设计要求。ISO9001-2000认证企业

3.6系统功能管线智能诊断：

通过生产信息系统数据，计算管网系统中管线的压损、泵出口—配水间效率、干支线效率、配水间—井效率，查询欠注，判断是否进行管线分流、清洗及洗井。ISO9001-2000认证企业

3.6系统功能历史特性比较：

分析不同时期注水泵站、管线运行特性，掌握其变化规律，为科研人员、生产管理者提供科学依据。ISO9001-2000认证企业

3.7系统运行平台

注水管网模拟系统利用现有油田地理信息系统和生产信息系统，采用geomedia平台,VB、VC开发语言，Access、Oracle数据库，实现管网优化系统。

CPU：PⅣ1G以上内存：128M以上硬盘：40G以上操作系统：Windows98/2000，WindowXPGIS平台：geomedia5.0数据库：Access数据库、oracle数据库ISO9001-2000认证企业

3.8注水管网优化软件的特点创新性：攻克多项技术难题，如系统算法，模型系数计算和处理方法，自动列解方程等。先进性：系统中主要的计算功能和计算精度在国内同类产品中处于领先地位，其他同类产品不具备本系统中重要的模拟功能。专业性强：本系统主要的数据分析，指导方案制定、方案优选及注水系统改造、新建方案等，功能模块化，属专家系统。ISO9001-2000认证企业

3.9注水管网优化软件的发展在研究注水管网优化系统和PCP技术的基础上，将两者结合起来，通过管网优化系统宏观优化系统效率、泵区域效率、注水满足率和微观计算各节点状态，以压力和流量作为目标值，利用PCP控制调节技术，实现注水系统大闭环控制，使系统效率最高，达到节能降耗的目的。

在成功研发出注水管网优化软件的基础上，公司科研团队提出了注水系统大闭环优化控制思想：

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4.PCP（泵控泵）专利技术介绍

1986年，我国花费220万英磅（3000万元人民币）从英国引进一套泵站系统，在胜利油田投运后，由于设备本身、环境条件等原因，未形成生产能力，而且重大事故不断（如Ф200不锈钢泵轴断裂）。为此有关部门多次组织招标攻关，要求研发新的注水泵站系统，先后有多个著名院校、公司接标，都因复杂、难度大，攻关未果，泵站停闲十余年。

1996年，以吴九辅教授为总工程师的科研团队接标后，经过几年的研究、改造、创新，不断攻克难题，最终获得成功。新泵站系统于1998年11月正式投运。在此基础上，吴九辅教授提出了PCP（泵控泵）新思想，研发了PCP压流可调高效自动化注水泵站系统，形成了PCP技术，从而使泵站顺利运行，并获得巨大效益。ISO9001-2000认证企业

4.PCP（泵控泵）专利技术介绍

1999年7月泵站系统通过验收，2001年12月通过陕西省技术成果鉴定，荣获省部级科技成果一等奖。关键技术获国家专利，被选录“国家知识产权年检”，成为国家科技部重点推广技术。胜利油田经PCP改造后恢复运转的英国大泵ISO9001-2000认证企业

4.PCP（泵控泵）专利技术介绍PCP注水泵站系统由注水泵、增压泵、注水泵驱动电机、增压泵驱动电机及保证运行的润滑系统、水冷却系统、供电系统、仪表测控系统、转速控制系统和计算机控制系统等组成，它是机电仪一体化，涉及多个学科，综合高新技术，大型复杂的集成系统。该系统注水泵与增压泵串接，通过转速控制系统、计算机仪表测控系统，控制增压泵达到控制注水泵的输出压力和流量，并使大功率注水泵工作在高效区，从而实现泵控泵技术。注水泵：4500RPM,16MPa,1040立方米/小时。主电机：6KV，6800KW增压泵：1-4MPa来水出水增速箱变频电机：2KV，1700KW整体变电站柜变频调速器PCP（泵控泵）技术原理ISO9001-2000认证企业

4.PCP（泵控泵）专利技术介绍DCS计算机系统实现自动监控，根据注水工艺要求（底层情况）实现大闭环优化运行，提高PCP系统效率。PCP技术原理特点注水泵与增压泵串接注水，通过小变频调速系统调节小功率增压泵，实现对大功率注水泵的调节和控制，实现系统压力和力量可调。小功率增压泵为注水泵提供吸入压力，使两泵合理匹配；并通过计算机、仪表系统和变频调速系统调节使高效区范围很窄的注水泵工作在高效区。

批量生产的PCP控制柜ISO9001-2000认证企业

4.1PCP（泵控泵）专利技术在各大油田的应用胜利油田中原油田ISO9001-2000认证企业

4.1PCP（泵控泵）专利技术在各大油田的应用大庆油田节约能耗、降低生产成本、提高生产效率。减少污水排放、改善工作条件、提高安全度。经济效益：社会效益：新疆油田ISO9001-2000认证企业

管网连接阀5.注水系统大闭环优化控制思想

大闭环优化控制系统通过注水系统动态优化软件实时采集注水系统状态，通过分析计算，建立优化控制目标函数，向PCP泵站系统发出控制调节信号，实现压力和流量调节，并通过大系统反馈不断修正，最终达到注水系统优化运行。注水井2#注水井1#PCP泵站n#注水井n#PCP泵站1#目标控制控制目标注水优化控制系统数据采集······PCP泵站2#ISO9001-2000认证企业

5.注水系统大闭环优化控制思想注水系统全面优化分析，建立控制目标函数，实现注水系统大闭环控制。利用PCP泵站技术，控制注水泵运行，对压力、流量进行连续平滑调节，使泵站与管网高度匹配。对重要注水区域，可以进行局部调节控制，使系统满足现场注水需求。系统设计特点：ISO9001-2000认证企业

6.公司简介陕西天程石化设备有限公司是陕西省高新技术企业，拥有已成立15年的科研机构——西安天程仪表自动化研究所，并联合西安石油大学，专门从事石化节能设备、集散控制系统、现代电装技术装备、工业软件的研发、生产及技术服务。ISO9001-2000认证企业

6.公司简介公司技术力量雄厚，以吴九辅教授为总工程师，其成员多为参与过重大科研项目的技术专家、研究生等高学历、高素质人才的科研团队，攻克了多项尖端课题，能够在石化行业及自动化控制领域提供解决方案和相关成套设备。生于1942年5月，北京密云人，1965年毕业于南京航空航天大学自动化控制专业。吴九辅先生简介：陕西天程石化设备有限公司高级技术顾问兼总工程师；西安石油大学教授、高级工程师、国家知识产权局特约编委；亚太电装共享体理事、测试学会副理事长等。多次获得国家级、省部级奖励。重要著作有《仪表控制系统》、《电子装联技术》、《现代工程检测与仪表》、《PCP泵控泵注水泵站》、《流量检测》等。另有正在出版的《安全防爆与仪表及自动化系统》等，近期主持完成难题