注水優化控制系統WaterInjectionSupervisoryControlSystem陜西天程石化設備有限公司（西安天程儀表自動化研究所）核心技術：注水管網優化軟件PCP（泵控泵）泵站系統背景中央政府在“十一五”期間提出：“單位國內生產總值能源消耗降低20％左右、主要污染物排放總量減少10%等目標”。國家發改委等有關部門已開始修訂節能法，以加大節能力度。并已鎖定1000家高耗能企業，主要集中在鋼鐵、有色金屬、煤炭、電力、石油、石化、化工、建材、船艦等高耗能行業和年耗能萬噸標準煤以上的企業。把節能指標作為干部考核的重要指標，以改變目前單純的GDP考核。在國家發改委2006年經濟運行新聞發布會上獲悉，全國重點行業節能降耗工作穩步推進。中國石油、中國石化、中國海油三大石油公司預計在過去的一年節約能源350萬噸標準煤，節水1億立方米。在07年對于三大石油公司提出了更高的節能指標要求，尋求和開發新的節能技術在保證石油產量穩步增長的同時降低能源消耗是全國各大油田公司面臨的重要課題。ISO9001-2000認證企業

1.油田注水現狀和問題伴隨油田開發而建成的注水系統，由于近年來注水量不斷增加等原因，出現了泵的運行方案與實際配注量不相匹配，注水系統壓力和流量不能及時調整等問題，導致注水能耗不斷增加，影響經濟效益，具體問題如下:壓力和流量不可調節，注水量和配注量不匹配由于不同時期油田開發配注量的調整，以及洗井、管道破裂等原因，使油層注入壓力和注入量處于變化中，造成注水泵排出量與配注量不匹配。為了適應注水量變化的需求，通過人工調整開泵臺數或調節出口閥門來控制流量，泵組在節流狀態下運行，使得注水泵運行偏離了高效區，且閥門處又因節流損失了大量的能量，如果人工調節不及時，超注或欠注，都將影響原油高產穩產。管網布局不合理，系統運行效率低

長期以來對油田地面注水系統的規劃研究一直未引起人們足夠的重視，在確定開采方案的過程中，大多數的關于注水管網方面的設計還停留在憑經驗設計的階段上，由于布局不合理等原因，注水干線、支線的水頭損失（管網沿程損失、局部損失）嚴重，管網運行效率低，能量損失大。ISO9001-2000認證企業

1.油田注水現狀和問題設備陳舊、工藝落后、泵效低

油田大部分注水系統都是伴隨著油田早期建設而建成，投運時間較長，磨損嚴重，泵效偏低；注水系統部分改造，全局統籌不夠，造成局部注水站超負荷，管線結垢、腐蝕嚴重；布線、接線等方面工藝落后，故障率較高，泵損嚴重，增加了維護的難度和工作量。目前，大部分的泵站的泵效都在70%以下，注水壓力18Mpa左右，每注1方水耗電量在7.2-8KWH之間。開泵運行方案，泵站改造、建設方案難以確定由于油田管網各節點壓力和流量存在差異，動態非線性，且節點數量大，不易分析計算其運行參數，所以要從根本上解決設備優選、開泵方案、運行方案以及管線如何改造，還缺少準確的數據依據及預測機制。國內外注水系統效率和能耗ISO9001-2000認證企業

1.油田注水現狀和問題同時，國外注水自動化水平比國內高，全部運行工況和故障情況，包括注水壓力，流量，效率，功率，振動，溫度等都實現了計算機監控。但從國外引進成套設備，投資太大，且不符合我國油田的內外部環境，尤其是水質和供電情況。目前，國內陸上油田已進入了中后期開采階段，注水成了保證原油高產穩產的基礎，然而油田生產成本的30-50%為電能的消耗，而注水電耗一般占油田生產總用電的33-56%，因此，注水優化控制系統的研究對原油增產和節能降耗具有重大意義。

2001年我國生產原油近14000萬噸，綜合含水量為85-86%，則注水量最少為：14000萬噸÷（1-86%）=100000萬噸即100000萬立方注水。若在現在的基礎上，每注1立方米水節約1KWH，每度電以0.5元計算，則每年的生產成本可節約：100000×1×0.5=50000萬元（5億元）ISO9001-2000認證企業

2.注水系統能量損耗

油田注水系統主要由電機、注水泵、調節閥、注水管網、配水間、注水井等組成。除了注入地層的有效能量外，注水系統能量要消耗在電機、注水泵、調節閥、注水管網、注水井處，因此構成了注水系統的總能耗。系統輸入能量注水泵損耗泵管壓差損耗管網損耗節流損耗電機損耗ISO9001-2000認證企業

2.注水系統能量損耗能耗在系統輸入能量中的比重

電機能耗：4%～5%注水泵能耗：20%～28%管網能耗：20%～25%（包括調節閥節流能耗）注水系統的能量利用可用注水系統效率表示：

影響注水系統效率的主要因素是注水泵效率和管網效率，而影響注水泵效率和管網效率的主要因素是注水系統的運行方案。當注水系統運行方案合理時，系統能耗較低；反之，系統能耗較高。

結論注水系統節能降耗的關鍵是制定合理系統運行方案ISO9001-2000認證企業

3.注水管網優化軟件的提出為了適應原油生產變化的要求，需要對管網進行改造，僅依靠管理人員的經驗進行改造設計，不能提出準確的、合理的改造方案；在注水系統運行中，如何使泵站與管網注水匹配運行是系統節能重要方面，由于系統龐大，無法準確量化計算管網系統中各個環節運行狀況和匹配情況。對于龐大的油田注水管網系統，國內至今還沒有研制出一套成型的、合理的解決方案，大多只是理論研究階段或不實用的一些產品。在當前節能、降耗、增效的大環境下，陜西天程石化設備有限公司和新疆石油管理局認為在現有的技術條件下能夠尋找到一套科學的解決方法，從注水系統的角度，解決存在的諸多問題，為以后的系統改造提供依據，于2002年提出了《注水管網動態模擬及優化系統》研究課題。經過多年的研究，陜西天程攻克了多個學科諸多技術難題，在注水管網動態模擬及優化系統研發中取得了一系列成果，達到了系統算法國內首創，系統功能國內領先。ISO9001-2000認證企業

3.注水管網優化軟件的提出研究的主要內容：1.根據實際注水需求，制定注水系統開泵、參數調整等動態管理運行方案；2.找出系統流程中效率低的部分和環節，為管網改造提供依據；3.找出生產運行中摩阻變大、效率變低等異常變化的管段或部位，為生產管理或技術改造提供依據；4.為新增管網或設備方案的制定提供計算依據和模擬驗證；5.實現圖形處理，數據庫的交互式共享。ISO9001-2000認證企業

3.注水管網優化軟件的提出技術思路：分析歸納節點單元規律特點，并進行相關測試與實驗建立數學模型并研究簡化計算方法模型參數現場計算方法及誤差減小方法研究系統算法及合理步長、約束條件編制注水系統動態數值模擬軟件歷史擬合及驗證軟件的掛接及輸入輸出等其它功能的實現ISO9001-2000認證企業

3.1注水管網優化軟件的研發歷程①②③④⑤⑥⑦⑧2001年，現場勘察、調研，大量數據測試。2002年，分析、論證，注水管網優化軟件立項研發。2003年，現場水力實驗，摩阻系數測試。2004年，模型、算法研究。2005年，計算機實現，測試版發行。2006年，實際應用、改進，正式版發行。2007年，與PCP技術結合，實現大閉環優化控制。2008年，增強2008版推出。ISO9001-2000認證企業

3.2水力實驗注水管線結垢情況極其復雜，且結垢極其不規則。必須通過實驗的方法來求得λ、d、Δ等值。這些實驗結果是后續研究的依據。管線結垢嚴重管線結垢不規則Δ：絕對粗糙度；

d：管徑；

λ：水力摩阻系數；

Re：雷諾數。ISO9001-2000認證企業

3.2水力實驗尼古拉茲實驗對管中沿程阻力作了全面研究尼古拉茲實驗曲線其中：Ⅰ：層流區Ⅱ：臨界區Ⅲ：光滑管紊流區

Ⅳ：過渡區Ⅴ：粗糙管紊流區ISO9001-2000認證企業

3.2水力實驗五個阻力區范圍與λ計算公式ISO9001-2000認證企業

3.2水力實驗hff=h1+h2hff=h1-h2水力摩阻系數測試實驗裝置流程示意圖水頭損失測量示意圖ISO9001-2000認證企業

3.3模型研究模型的準確性關系系統的適用價值，因此我們在前期研究中以模型研究為重點.模型簡化進行實際驗算，三項式最大誤差為0.03MPa，二項式最大誤差為0.04MPa，根據現場儀表精度，二項式方程即可滿足要求。通過泵內損失分析，注水泵的實際揚程與實際流量主要呈3次方以內的關系。模型系數計算方法:我們采用最小二乘法來減少系數計算中的誤差

任意曲線都可以用多項式來表示理論依據適用性分析模型公式:

Q∈[B/2A，350m3/h]注水泵模型ISO9001-2000認證企業

3.3模型研究建立了簡易水力試驗平臺，對不同內徑（?168、?114、?60）、不同結垢狀況的6根注水管線進行了測試，共取得流速（2m/s～6.3m/s）下的38組數據。通過對實驗數據進行分析，引入了管損的當量值算法。

d=128.2mmσ=1.62△=24.9mmσ=0管線模型ISO9001-2000認證企業

3.3模型研究樹杈結構單元計算方法：節點3的壓力假設為Px干支線模型ISO9001-2000認證企業

3.4算法研究過程控制迭代變量迭代關系式注水井流量為迭代變量多變量輸入輸出系統，循環結果做為下次計算輸入，無法保證計算結果的收斂性和穩定性以注水井壓力是否滿足為迭代方向的判定條件，設定合理步長進行迭代計算迭代終止條件控制為主，迭代次數限制為輔

所需的迭代次數是確定的或相對穩定的值

壓力為流量的函數，單個注水井流量對系統干擾小ISO9001-2000認證企業

3.4算法研究輸入初始值反演計算正演計算子系統劃分輸出算法流程自動列解方程ISO9001-2000認證企業

3.4算法研究井注水量壓力計算配水間流量計算管線流量壓力計算泵流量壓力計算

計算數據存入內存

泵流量壓力計算

配水間流量計算管線流量壓力計算井流量壓力計算壓力平衡點搜索井壓力不滿足環節搜索正演計算流程反演計算流程ISO9001-2000認證企業

3.5計算機實現拓樸結構解析方法自動列解方程的方法數據庫的存放優化

難點ISO9001-2000認證企業

3.6系統功能管網模擬系統特性比較生產管理合理建議數據采集注水方案開泵方案智能診斷拓撲結構模型計算ISO9001-2000認證企業

3.6系統功能運行狀態計算：實時計算注水系統各環節壓力和流量，分析電機的負荷程度，泵站運行特性、運行效率及系統效率，指導泵站出口閥的調節和調度管理。ISO9001-2000認證企業

3.6系統功能注水方案開泵方案：

利用管網模型系數和不同特性的泵，模擬計算出各個泵站區域效率、系統效率以及各環節的壓力和流量，通過多方案模擬比較，指導泵站系統優選注水方案和改造方案，使系統運行效率最高。ISO9001-2000認證企業

3.6系統功能ISO9001-2000認證企業

3.6系統功能管網拓撲方案：

通過設計泵站、管線、配水間和注水井拓撲圖，模擬計算出系統的注水狀態：系統效率；泵站壓力、流量、泵效率、電機負荷率；管線的壓力、流量、管損；配水間壓力；判斷注水量是否符合設計要求。ISO9001-2000認證企業

3.6系統功能管線智能診斷：

通過生產信息系統數據，計算管網系統中管線的壓損、泵出口—配水間效率、干支線效率、配水間—井效率，查詢欠注，判斷是否進行管線分流、清洗及洗井。ISO9001-2000認證企業

3.6系統功能歷史特性比較：

分析不同時期注水泵站、管線運行特性，掌握其變化規律，為科研人員、生產管理者提供科學依據。ISO9001-2000認證企業

3.7系統運行平臺

注水管網模擬系統利用現有油田地理信息系統和生產信息系統，采用geomedia平臺,VB、VC開發語言，Access、Oracle數據庫，實現管網優化系統。

CPU：PⅣ1G以上內存：128M以上硬盤：40G以上操作系統：Windows98/2000，WindowXPGIS平臺：geomedia5.0數據庫：Access數據庫、oracle數據庫ISO9001-2000認證企業

3.8注水管網優化軟件的特點創新性：攻克多項技術難題，如系統算法，模型系數計算和處理方法，自動列解方程等。先進性：系統中主要的計算功能和計算精度在國內同類產品中處于領先地位，其他同類產品不具備本系統中重要的模擬功能。專業性強：本系統主要的數據分析，指導方案制定、方案優選及注水系統改造、新建方案等，功能模塊化，屬專家系統。ISO9001-2000認證企業

3.9注水管網優化軟件的發展在研究注水管網優化系統和PCP技術的基礎上，將兩者結合起來，通過管網優化系統宏觀優化系統效率、泵區域效率、注水滿足率和微觀計算各節點狀態，以壓力和流量作為目標值，利用PCP控制調節技術，實現注水系統大閉環控制，使系統效率最高，達到節能降耗的目的。

在成功研發出注水管網優化軟件的基礎上，公司科研團隊提出了注水系統大閉環優化控制思想：

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4.PCP（泵控泵）專利技術介紹

1986年，我國花費220萬英磅（3000萬元人民幣）從英國引進一套泵站系統，在勝利油田投運后，由于設備本身、環境條件等原因，未形成生產能力，而且重大事故不斷（如Ф200不銹鋼泵軸斷裂）。為此有關部門多次組織招標攻關，要求研發新的注水泵站系統，先后有多個著名院校、公司接標，都因復雜、難度大，攻關未果，泵站停閑十余年。

1996年，以吳九輔教授為總工程師的科研團隊接標后，經過幾年的研究、改造、創新，不斷攻克難題，最終獲得成功。新泵站系統于1998年11月正式投運。在此基礎上，吳九輔教授提出了PCP（泵控泵）新思想，研發了PCP壓流可調高效自動化注水泵站系統，形成了PCP技術，從而使泵站順利運行，并獲得巨大效益。ISO9001-2000認證企業

4.PCP（泵控泵）專利技術介紹

1999年7月泵站系統通過驗收，2001年12月通過陜西省技術成果鑒定，榮獲省部級科技成果一等獎。關鍵技術獲國家專利，被選錄“國家知識產權年檢”，成為國家科技部重點推廣技術。勝利油田經PCP改造后恢復運轉的英國大泵ISO9001-2000認證企業

4.PCP（泵控泵）專利技術介紹PCP注水泵站系統由注水泵、增壓泵、注水泵驅動電機、增壓泵驅動電機及保證運行的潤滑系統、水冷卻系統、供電系統、儀表測控系統、轉速控制系統和計算機控制系統等組成，它是機電儀一體化，涉及多個學科，綜合高新技術，大型復雜的集成系統。該系統注水泵與增壓泵串接，通過轉速控制系統、計算機儀表測控系統，控制增壓泵達到控制注水泵的輸出壓力和流量，并使大功率注水泵工作在高效區，從而實現泵控泵技術。注水泵：4500RPM,16MPa,1040立方米/小時。主電機：6KV，6800KW增壓泵：1-4MPa來水出水增速箱變頻電機：2KV，1700KW整體變電站柜變頻調速器PCP（泵控泵）技術原理ISO9001-2000認證企業

4.PCP（泵控泵）專利技術介紹DCS計算機系統實現自動監控，根據注水工藝要求（底層情況）實現大閉環優化運行，提高PCP系統效率。PCP技術原理特點注水泵與增壓泵串接注水，通過小變頻調速系統調節小功率增壓泵，實現對大功率注水泵的調節和控制，實現系統壓力和力量可調。小功率增壓泵為注水泵提供吸入壓力，使兩泵合理匹配；并通過計算機、儀表系統和變頻調速系統調節使高效區范圍很窄的注水泵工作在高效區。

批量生產的PCP控制柜ISO9001-2000認證企業

4.1PCP（泵控泵）專利技術在各大油田的應用勝利油田中原油田ISO9001-2000認證企業

4.1PCP（泵控泵）專利技術在各大油田的應用大慶油田節約能耗、降低生產成本、提高生產效率。減少污水排放、改善工作條件、提高安全度。經濟效益：社會效益：新疆油田ISO9001-2000認證企業

管網連接閥5.注水系統大閉環優化控制思想

大閉環優化控制系統通過注水系統動態優化軟件實時采集注水系統狀態，通過分析計算，建立優化控制目標函數，向PCP泵站系統發出控制調節信號，實現壓力和流量調節，并通過大系統反饋不斷修正，最終達到注水系統優化運行。注水井2#注水井1#PCP泵站n#注水井n#PCP泵站1#目標控制控制目標注水優化控制系統數據采集······PCP泵站2#ISO9001-2000認證企業

5.注水系統大閉環優化控制思想注水系統全面優化分析，建立控制目標函數，實現注水系統大閉環控制。利用PCP泵站技術，控制注水泵運行，對壓力、流量進行連續平滑調節，使泵站與管網高度匹配。對重要注水區域，可以進行局部調節控制，使系統滿足現場注水需求。系統設計特點：ISO9001-2000認證企業

6.公司簡介陜西天程石化設備有限公司是陜西省高新技術企業，擁有已成立15年的科研機構——西安天程儀表自動化研究所，并聯合西安石油大學，專門從事石化節能設備、集散控制系統、現代電裝技術裝備、工業軟件的研發、生產及技術服務。ISO9001-2000認證企業

6.公司簡介公司技術力量雄厚，以吳九輔教授為總工程師，其成員多為參與過重大科研項目的技術專家、研究生等高學歷、高素質人才的科研團隊，攻克了多項尖端課題，能夠在石化行業及自動化控制領域提供解決方案和相關成套設備。生于1942年5月，北京密云人，1965年畢業于南京航空航天大學自動化控制專業。吳九輔先生簡介：陜西天程石化設備有限公司高級技術顧問兼總工程師；西安石油大學教授、高級工程師、國家知識產權局特約編委；亞太電裝共享體理事、測試學會副理事長等。多次獲得國家級、省部級獎勵。重要著作有《儀表控制系統》、《電子裝聯技術》、《現代工程檢測與儀表》、《PCP泵控泵注水泵站》、《流量檢測》等。另有正在出版的《安全防爆與儀表及自動化系統》等，近期主持完成難題