水源井節能保護在線監控系統研究及應用

高寶元,譚歡,韓婧婧

(1. 中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 鉆采工程技術研究院,陜西 西安 710018;2. 低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室,陜西 西安 710018)

目前,油田水源井存在潛水泵容量大,出水管線小的問題,造成了節流運行或反輸回流,導致功率因數低下,有功功率和無功功率消耗過大,電能浪費十分嚴重;水源井水位無法檢測,每次修井時,只能通過出水管觀察靜液面,經常發生空抽和干燒,既不安全又浪費電能,不能確保水源井向地層正常注水采油;水源井生產管理資料依靠人為估計,沒有記載,生產參數不能遠傳和遠程監控,不符合智能化油田發展需求[1]。

為了保證水源井正常供水及控制潛水泵在最佳運行狀態,滿足油田生產經營實際需求,研發了水源井節能保護在線遠程監控系統,實現了水源井變頻恒壓供水,在線遠程監控水位、出水壓力、出水流量和潛水泵電參數,低水位預警、高水位自動啟泵等功能,避免了水源井空抽和干燒等現象,優化了水源井工作制度流程,確保了水源井正常運行,達到了節能降耗的目的,從源頭上保障了油田的注水量[2]。

1 水源井防空抽和干燒技術研究

為了防止水源井經常發生空抽和干燒,研發了水源井水位監控裝置,如圖1所示。該裝置的射頻導納傳感器探頭平行安裝在和潛水泵連接的出水管線管壁上,與潛水泵出水管線構成電解電容,其中射頻導納傳感器探頭為電解電容的正極,潛水泵連接的出水管線為電解電容的負極,水作為電解質。當電解質液位高度發生變化時,即水源井的水位發生變化,電容值也發生變化。

圖1 水源井水位監控裝置組成示意

采用射頻導納測量方法將電解質的阻抗和容抗信息綜合在一起,水位發生變化,浸沒傳感器探頭的深度就變化,射頻導納傳感器探頭與潛水泵出水管線構成電解電容值也在變化,包括電容量和導電量的變化,反映出電壓頻率的變化。通過該傳感器探頭把電壓頻率信號發送到井口地面上的射頻導納變送器,轉換為4～20 mA信號上傳到PC上位機,讀取水源井水位變化曲線,通過PC上位機顯示出實際水位,并記錄儲存水位數據。通過比較水位實際值與設定值后,可編程控制器(PLC)發出指令信號,控制潛水泵工作,高水位時自動啟動潛水泵向外抽水,干抽時該泵停止向外抽水[3]。

2 水源井變頻恒壓供水節能技術研究

2.1 變頻恒壓控制系統的節能原理

為了使水源井的供水系統穩定運行,供水系統必須同時滿足潛水泵揚程特性和管阻特性。揚程特性是以系統管路中的閥門開度不變為前提,表明潛水泵在某一轉速下揚程H與流量qV之間的關系曲線,揚程特性所反映的是H與用水流量qV用間的關系H=f(qV用)。管阻特性是以潛水泵的轉速不變為前提,表明閥門在某一開度下H與qV之間的關系曲線,管阻特性反映了潛水泵的功率用來克服供水系統的水位、壓差以及水在管道中流動阻力的變化規律。改變閥門開度,實際上是改變了在某一揚程下,供水系統向用戶的供水能力。

因此,管阻特性所反映的是H與供水流量qV供之間的關系H=f(qV供)。供水系統中H與qV供關系曲線如圖2所示,管阻特性曲線與揚程特性曲線的交點為供水系統的工作點,即A點。當供水系統的qV用和qV供處于平衡狀態,穩定運行,既滿足了揚程特性,也符合了管阻特性。

圖2 供水系統中H與qV供的關系曲線示意

在供水系統中,通常以控制流量為目的,常用的控制方法為閥門控制法和轉速控制法。

閥門控制法是在潛水泵異步電動機轉速保持不變的前提下,通過調節閥的開度來調節流量,其實質是通過改變水路中的阻力大小來改變流量。因此,管阻將隨閥門開度的改變而改變,但揚程特性不變。由于實際用水工況中,需水量是變化的,若閥門開度在一段時間內保持不變,必然會造成超壓或欠壓現象。

轉速控制法是在閥門開度保持不變的前提下,通過改變驅動潛水泵的異步電動機的轉速來調節流量,其實質是通過改變水的動能改變流量。因此,揚程特性將隨潛水泵轉速的改變而改變,但管阻特性不變。變頻調速供水方式屬于轉速控制法,其工作原理是根據用水工況變化自動調節潛水泵異步電動機的轉速,使管網壓力始終保持恒定,當水量增大時異步電動機加速,水量減小時異步電動機減速。

由流體力學可知,潛水泵的輸出功率P與管網的水壓p及出水流量qV出的乘積成正比;潛水泵的轉速n與qV出成正比;p與qV出的平方成正比。由上述關系可知,潛水泵的P與n的三次方成正比。采用閥門控制時,當流量為qV1,揚程為H0,該泵工作點在E點,當水量從qV1減小到qV2時,必須關小閥門,這時閥門的摩擦阻力變大,管阻特性曲線從b3移到b1,揚程特性曲線不變。若揚程從H0上升到H1,該泵運行工作點從E點移到F點,此時潛水泵的輸出功率正比于H1qV2。當用轉速控制時,采用恒壓變速泵供水,管阻特性曲線為b2,揚程特性曲線由曲線1變為曲線2,工作點從E點移到D點。此時潛水泵輸出功率正比于H0qV2,由于H1>H0,所以當用閥門控制流量時,正比于(H1-H0)qV2的輸出功率被浪費掉,并且隨著閥門的不斷關小,閥門的摩擦阻力不斷變大,管阻特性曲線上移,運行工作點也隨之上移,于是H1增大,而被浪費的功率也隨之增加。所以轉速控制方式的供水功率要比閥門控制方式的要小得多,節能效果顯著,采用上述控制方法時潛水泵的H與qV供關系變化曲線如圖3所示。

圖3 潛水泵的H與qV供關系變化曲線示意

當用變頻恒壓控制時,運行特性曲線如圖4所示,若供水量變大,潛水泵工作在W1點,流量為qV1,揚程為H1。當供水量從qV1減小到qV2時,必須變頻降低轉速,而揚程則從H1下降到H2,運行工況點從W1點移到W2點,此時潛水泵的輸出功率從P1變成P2。效率從η1變成η2,所以用變頻恒壓控制供水功率較小且能耗低。

圖4 變頻恒壓控制運行特性曲線示意

2.2 潛水泵變頻恒壓控制流程設計

為了克服現有水源井潛水泵電能浪費嚴重以及水抽干時潛水泵不能自動斷電的問題,設計了水源井變頻恒壓控制流程,如圖5所示。

圖5 水源井變頻恒壓控制流程示意

由圖5可知,壓力變送器、PLC、變頻器、潛水泵以及驅動潛水泵的異步電動機,組成1個閉環調節系統,其中,潛水泵與異步電動機集成在一起。恒壓控制系統通過安裝在管道上的壓力變送器實時檢測出水管線的出水壓力,并轉換為4～20 mA的信號,該信號是實現恒壓控制的關鍵參數。由于電信號為模擬量,故必須通過PLC的A/D轉換模塊讀取并與設定值進行比較,將比較后的偏差值進行PID運算,運算后的數字信號通過D/A轉換模塊轉換成模擬信號作為變頻器的輸入信號,控制變頻器的輸出頻率,控制異步電動機的轉速,進而控制潛水泵連接的出水管線的水量,最終使管道壓力恒定,實現變頻恒壓控制[4]。

變頻恒壓供水系統的具體控制流程: 系統通電后按照接收到的有效啟動信號,首先啟動變頻器,使潛水泵工作;根據壓力變送器測得的出水管線的實際壓力和設定壓力的偏差值調節變頻器的輸出頻率,控制異步電動機的轉速;當輸出壓力達到設定值,異步電動機轉速穩定到某一定值,異步電動機工作在該轉速運行狀態下。另外,當變頻器出現故障時,異步電動機與軟啟動器電連接,能使潛水泵啟動平穩,減少對電網和機械設備的沖擊,也避免了傳統供水系統中的水錘現象[5]。

3 在線監控系統設計

采用功率為30～75 kW,交流電壓為(380±38)V,綜合節電率大于20%的潛水泵;測量準確度為±1.0%,測量范圍為0～900 m的射頻導納傳感器與遠程監控中心遠程控制終端(RTU)模塊組成在線監控系統。將PLC中水源井射頻導納傳感器采集的水位、壓力、流量、潛水泵電參數信號以及啟停信號通過油田專網上傳至數字化網絡中[6],經過防火墻處理后送到監控交換機,進一步處理后的數據經過網絡送入中心控制室計算機和工程師站,實現水源井在線遠程監控和數據存儲、網絡發布[7]。

4 應用效果

2022年9月至10月,在長慶油田某采油廠13口水源井應用了節能保護在線監控系統,并進行了多次跟蹤測試與分析。該系統實現了遠程動態監測水源井水位、出水壓力和流量以及潛水泵電參數,到達高水位時潛水泵自動開始抽水,到達低水位時潛水泵自動停止抽水[8],解決了水源井空抽和干燒,改善潛水泵供電電源的質量,保證了潛水泵的功率與實際負荷相匹配,達到了水源井節能運行的目的。水源井平均功率因數均從0.75提高到0.95以上,平均有功節電率為20.3%,平均無功節電率為30.7%,平均綜合節電率為21.5%,同時減少了供電線路的損耗,提高了變壓器負載能力;提升了水源井管理效率,優化了工作流程,保障了水源井正常運行,從源頭上保障了油田的注水量。目前,長慶油田和延長油田有5×103多口水源井,應用市場前景十分廣闊,將會產生巨大的經濟效益和社會效益[9]。

5 結束語

應用水源井節能保護在線監控系統有以下優點:

1)水源井實現變頻恒壓供水,根據壓力信號自動無級調整壓力,供水質量好,與傳統差壓供水比較,不會造成管網破裂和共振現象,自動使潛水泵的差壓降至零,節能效果明顯。

2)水源井采用射頻導納技術檢測水位,成本低、性能可靠、測量水位量程寬、誤差小,安裝簡單,克服了傳統投入式壓力傳感器測量水源井水位范圍小,水位再深時壓力隔膜容易損壞和發生密封膠漏失等弊端問題[10]。

3)變頻軟啟動能使潛水泵平穩啟動,減少對電網和機械設備的沖擊,也避免了傳統供水中的水錘現象,延長水源井維修周期,降低了修井工的勞動強度。

4)結合油田智能化管理,實現了水源井水位、出水量、出口壓力、井筒水面、潛水泵三相電等必要生產數據的統一精細化管理與分析判斷,提高了管理效率,及時發現故障,降低損失、保障供水,達到了科學預警,降低水源井運行成本,優化了水源井的運行工作流程,保障了水源井平穩運行并實現節能降耗的目的[11]。