油田注水泵節(jié)能控制研究

周陽陽

（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

近年來油田原油的開采逐漸難度大，需要用注水的方式增加地層能量，這樣才能保證地層壓力，提高原油開采效率[1]。油田注水的量少，不僅不能符合地質(zhì)中心給出的配注要求還會(huì)對(duì)原油的開采產(chǎn)生影響；給油田注水的量多，不僅浪費(fèi)大量電能還會(huì)浪費(fèi)水資源[2]。為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的政策，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)將成為油田改造的重中之重。為了保證采油高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)并且完成注水任務(wù)，其控制策略需要根據(jù)不斷變化的注水需求進(jìn)行調(diào)整，也需要保護(hù)油田的注水設(shè)備、實(shí)現(xiàn)減少油田注水中能量的消耗，減少使用的費(fèi)用，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)油田注水系統(tǒng)智能化的目標(biāo)，需要分析注水系統(tǒng)中能耗較高的環(huán)節(jié)，同時(shí)找到解決的辦法[3-4]，對(duì)于整個(gè)油田向更智能更高效的數(shù)字化發(fā)展至關(guān)重要。

1 油田注水能耗分析

對(duì)于目前的注水系統(tǒng)來說，主要由注水泵、電動(dòng)機(jī)、注水管網(wǎng)、相應(yīng)的節(jié)流閥等組成，在這些設(shè)備當(dāng)中，在運(yùn)輸水資源的過程中就會(huì)有能量消耗，其中能量消耗多的是注水泵和注水井流量[5]。在注水過程中，水資源從從注水站出口到單位井節(jié)流閥、從注水泵的出口到注水站節(jié)流閥、注水井控制閥的能量損失就是注水閥組總體的能量損失，同時(shí)注水管線也會(huì)有能量損失，這些構(gòu)成注水管網(wǎng)所造成的能量損失[6]。

按照損耗位置可以將能耗環(huán)主要有：電動(dòng)機(jī)的能量損失，這些損失決于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的效率和負(fù)載率；注水泵的能量損失，注水泵在工作時(shí)其動(dòng)力部分摩擦發(fā)熱而造成能量損失；站內(nèi)回流、節(jié)流損失能量，主要是節(jié)流閥節(jié)流、泵出口回流的能量損失[7]；管網(wǎng)損失的能量，主要是管網(wǎng)振動(dòng)造成的能量損失，由于注水泵的壓力、排量、正弦曲線波動(dòng)等帶動(dòng)泵體振動(dòng)，還有由于管網(wǎng)材質(zhì)、彎頭等造成的管線延程損失；配水間閥節(jié)流損失能量，主要是為滿足注水井注水流量、壓力要求，需要調(diào)節(jié)配水間內(nèi)的調(diào)壓閥進(jìn)而調(diào)節(jié)注水干線產(chǎn)生能量損失[8]。

2 油田注水泵控制研究

通過分析油田注水系統(tǒng)，能夠調(diào)節(jié)注水井匯管流量和拖動(dòng)注水泵工作的異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，前者作用對(duì)象是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，反饋為注入地層流量，后者作用對(duì)象是實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速功能的變頻器，反饋為電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。

2.1 注水井流量控制的研究

在油田分層注水中，影響注水效率的主要是流量的精確控制，考慮各層較大地質(zhì)差異，分析井下注采狀況和測量的信息，調(diào)節(jié)注水流量同時(shí)提高注水精度，設(shè)計(jì)了流量控制方法。在其設(shè)計(jì)中，流量調(diào)節(jié)主要是保持注水流量在規(guī)定范圍內(nèi)，但是由于井下存在多種不明確的參數(shù)問題受到了受多種因素的制約，所以選擇注水流量控制方式影響注水的效果[9]。通過提高對(duì)流量控制器的要求，使其能夠自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，適用分層注水復(fù)雜的工作環(huán)境。

注水井流量進(jìn)行仿真，根據(jù)油田注水系統(tǒng)的實(shí)際情況，采用傳遞函數(shù)的形式來模擬被控制對(duì)象。同時(shí)對(duì)比了目前注水流量控制策略，采用模糊控制器與傳統(tǒng)控制方法進(jìn)行對(duì)比分析。通過軟件對(duì)注水井流量的控制策略進(jìn)行了仿真，并得到了相應(yīng)的對(duì)比仿真圖，兩種控制無干擾流量波形見圖1。

圖1 兩種控制無干擾流量波形

由圖1 可知，常規(guī)PID 控制方法下調(diào)節(jié)時(shí)間較長且超調(diào)量較大；而模糊控制下基本無超調(diào)且調(diào)節(jié)時(shí)間較短，同時(shí)穩(wěn)態(tài)時(shí)沒有靜差。

當(dāng)調(diào)節(jié)閥受到的地層不規(guī)則壓力時(shí)，會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，因此在系統(tǒng)中加入一個(gè)單脈沖模擬壓力，受到壓力擾動(dòng)時(shí)兩種控制方式干擾下流量波形見圖2。從仿真結(jié)果中可以知道，常規(guī)控制方式和模糊控制方式可以使系統(tǒng)穩(wěn)定，但是后者達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間更短，超調(diào)量較小，能夠更好地減小地層壓力干擾對(duì)調(diào)節(jié)流量精度的影響。

圖2 兩種控制干擾下流量波形

通過以上的分析可知，模糊控制方式在調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量以及達(dá)到穩(wěn)態(tài)值方面都要好，同時(shí)在受到干擾時(shí)調(diào)節(jié)的超調(diào)量比較小、調(diào)節(jié)的時(shí)間快，也就是抑制干擾和克服振蕩的能力比較強(qiáng)，所以讓模糊PID 控制算法成為油田各注水井流量控制的核心控制算法。

將模糊控制方式用在配注間內(nèi)的注水泵中，減少調(diào)節(jié)注水泵匯管流量對(duì)各個(gè)注水井流量的影響，工頻下注水流量與實(shí)際注水需求流量基本一致，這樣能夠更準(zhǔn)確的測試注水量控制算法與控制策略的實(shí)際效果。在測試過程中，配注間注水記錄數(shù)據(jù)見表1。

表1 配注間注水記錄數(shù)據(jù) m3

從表1 中的數(shù)據(jù)來看，兩種控制方式的注水都在要求之內(nèi)，但是模糊控制方式比常規(guī)控制的注水量更接近于目標(biāo)注水量，所以注水系統(tǒng)采用模糊控制方式之后雖然還存在誤差，沒有實(shí)現(xiàn)無差注水，但總體效果注水有了很大的改善，達(dá)到預(yù)期目的。

2.2 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制的研究

根據(jù)分析可知水泵上電動(dòng)機(jī)能耗大，通過變頻器對(duì)其進(jìn)行矢量變頻控制，可以在滿足要求下，達(dá)到節(jié)能降耗?？紤]油田實(shí)際情況，結(jié)合生產(chǎn)需求和地理環(huán)境，在變頻技術(shù)使用時(shí)，需要用到壓力傳感器、調(diào)節(jié)器、變頻器等，簡化了注水泵流程，實(shí)現(xiàn)了注水泵的自動(dòng)化，節(jié)約了電能，降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度[10]。

異步電動(dòng)機(jī)的控制方式有很多，在油田中經(jīng)常使用的是常規(guī)PID 控制方式，這種方式穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但是一方面由于現(xiàn)場控制對(duì)象具有較強(qiáng)的不定性，需要隨工況實(shí)際變化利用其控制器很難達(dá)到想要的控制效果；另一方面由于參數(shù)整定方法的復(fù)雜性，其控制器的參數(shù)不好得到，這樣導(dǎo)致性能不好。因此需要對(duì)注水電動(dòng)機(jī)的控制算法研究改進(jìn)來達(dá)到更好的控制效果。

異步電動(dòng)機(jī)矢量控制與模糊PID 進(jìn)行結(jié)合，在轉(zhuǎn)速環(huán)和兩個(gè)電流環(huán)加入模糊PID 控制，建立模糊PID 下的變頻調(diào)速矢量控制模型，常規(guī)PID 和模糊PID 控制轉(zhuǎn)速波形見圖3。

圖3 常規(guī)PID 和模糊PID 控制轉(zhuǎn)速波形

由圖3 可知，從調(diào)節(jié)時(shí)間來看，模糊PID 比常規(guī)PID 時(shí)間較快；從抗擾性能來看，當(dāng)出現(xiàn)，兩者沒有區(qū)別，但是在出現(xiàn)較大的負(fù)載波動(dòng)時(shí)，模糊PID 的調(diào)節(jié)時(shí)間快且沒有超調(diào)量。

綜合分析，模糊PID 能夠調(diào)節(jié)時(shí)間段很快就到了要求的轉(zhuǎn)速，而且當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)波動(dòng)的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速能夠更快更穩(wěn)的達(dá)到要求的轉(zhuǎn)速，因此模糊控制方式能夠減小超調(diào)量且調(diào)節(jié)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，其具有很好動(dòng)態(tài)性能和抗擾性能。所以對(duì)于油田注水泵中將異步電動(dòng)機(jī)矢量控制與模糊PID 相結(jié)合，讓它成為注水泵變頻調(diào)速矢量控制的核心控制算法。

以配注間的兩臺(tái)規(guī)模一致的注水泵為例進(jìn)行數(shù)據(jù)測試，在實(shí)驗(yàn)過程中，沒有切泵和電動(dòng)機(jī)功率不匹配的影響，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，記錄注水泵電動(dòng)機(jī)中兩種控制方法的耗電數(shù)據(jù)，如表2 所示。

表2 兩種控制方法的耗電情況 kWh

經(jīng)過以上分析，經(jīng)過采用變頻矢量控制的模糊PID 控制控制方式，在完成注水量要求的條件下，配注間1和2分別節(jié)約電量1 681.2 kWh、2 941.2 kWh，按電費(fèi)0.6 元/kWh，則每年可以節(jié)省電費(fèi)大約6.7 萬元，所以能夠達(dá)到了節(jié)約電能的目的，同時(shí)收到了良好的節(jié)能效果，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，其控制的可靠性、先進(jìn)性、節(jié)能性等效果非常明顯。

3 結(jié)束語

我國石油的開采效率受到了注水系統(tǒng)的能源消耗的影響，同時(shí)也影響了經(jīng)濟(jì)效益，所以保證石油行業(yè)的穩(wěn)定持續(xù)的發(fā)展，應(yīng)該降低注水系統(tǒng)的能量消耗。針對(duì)原有系統(tǒng)中注水泵能耗大的問題，結(jié)合油田注水實(shí)際需求，首先對(duì)注水系統(tǒng)能耗進(jìn)行了分析，研究了傳統(tǒng)傳統(tǒng)控制方式和模糊PID 控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，建立了注水井流量控制和變頻器轉(zhuǎn)速控制的仿真模型，對(duì)比分析兩種控制算法下的超調(diào)量、調(diào)節(jié)速度和抗干擾能力等等。根據(jù)仿真模型結(jié)果可知，在注水井流量控制和變頻器轉(zhuǎn)速控制中，模糊PID 控制方式都比傳統(tǒng)控制方式效果好，且系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，使得注水泵更加節(jié)能，進(jìn)行油田注水精細(xì)化控制研究具有重要的意義。