［摘要］文章针对河南油田第一采油厂安棚联合站DF100-150×11离心式注水泵出口严重憋压，注水泵机组效率低的问题，进行工况与低效率分析，优选方案，对在泵控泵技术中采用的控制方式作分析研究，实现注水泵泵控泵控制，保证在注水参数变化时注水泵始终工作在高效区。注水系统改造后使泵压、管压差由原来的1.5MPa降到0.1MPa以下；机组效率提高5.95%；机组单耗由8.34kw.h/m3降为6.73kw.h/m3，填补了泵控泵技术在河南油田应用的空白，现场应用得到了实现和检验，为今后同类改造积累了经验。
［关键词］泵控泵技术；研究；应用；河南油田
［作者简介］李权，中石化河南油田分公司第一采油厂安全工程师，研究方向：机动设备安全技术研究与应用，河南桐柏，474780；王飞，河南油田分公司第一采油厂机械动力科高级机械工程师，河南桐柏，474780；陆东庆，河南油田分公司第一采油厂助理工程师，河南桐柏 474780；刘立，河南油田分公司第一采油厂江河矿助理工程师，河南桐柏，474780
［中图分类号］ TE934 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1007-7723（2012）01-0021-0003
河南油田安棚联合站低压注水系统，两台DF100-150×11注水泵额定排量100m3/h，额定扬程1650m，用一备一。实际运行状况是：配注量80m3/h左右，泵压17.5MPa,管压16.2MPa，机泵效率为59.41%。流量、压力不可自动调节：无法实现根据生产工艺变化及时调节注水泵运行参数，只能通过注水泵出口阀来调节注水压力和流量，不能满足功率变化的需求。针对这种状况，提出对DF100注水泵进行泵控泵节能改进。
一、注水系统改造目的
1.增大排量调节范围，整个泵站排量增大到70～100m3/h；
2.降低泵管压差，改造后要求不高于0.2Mpa，提高泵效，系统效率，降低能耗；
3.实现压力、流量在一定范围内的可调，使出口压力及排量适应注水采油工艺要求；
4.安棚低压注水系统的工况与低效率分析，提高注水系统机组效率的方案研究与优选；
5.系统可靠性和安全性研究，包括两台机泵之间的逻辑关系、互锁、保护等；
6.电气设备的原理图设计，现场数据的采集方式，工程算法的研究与优选,软件程序的编写，包括PLC程序和上位机监控程序等。
二、方案确定
（一）该项目经前期调研后，有四个改造方案
1.泵控泵（PCP）技术应用：泵控泵技术也称作前置采串级调速技术，即增压泵控制串联大功率注水泵的泵控泵技术，2004年首次在国内油田上应成功，可降低泵管压差，提高泵效，降低注水单耗。
2.高压变频调速：对DF100注水泵进行变频技术改造，引进高压变频器：通过检测注水采出阀门及汇管压力，相应调整注水电机电源频率，闭环控制注水泵转速，从而调节水量、降低泵管压差。
3.更换离心式注水泵为柱塞泵：DF100-150×11注水泵停用，对三台三柱塞泵更新，更新为三台排量为40m3/h，压力16MPa，改为变频控制。
4.更换先进离心式注水泵：把DF100-150×11注水泵进行更换，在泵的原基础上更换为一台80m3/h的新离心泵。
（二）注水系统各方案的比较
1.项目技术方案的优选原则：（1）满足注水现场工艺需求，根据注水现场的需要适时可调节压力、流量；（2）提高注水量；（3）降低注水能耗，提高注水效率；（4）提高注水系统的自动化水平；（5）投资少，技术先进。
2.注水站各改造方案技术比对
（1）更换先进离心式注水泵：如果提高注水泵效率，增加注水能力，将注水站的原注水泵和驱动电机更换为泵效更高的先进高压注水泵和大功率电机，投资费用大，而且原注水设备一次性淘汰，浪费严重。但改造后的泵站仍然不能解决调节性差的问题，当实际所需注水量发生变化，供水能力超过管网需求时，还要用节流的方式来调节供需不平衡的矛盾，则注水系统效率仍无法提高。
主要工作量：DF100注水泵进行换泵，在泵的原基础上更换为一台80m3/h的新泵，总投资在45万元左右。
（2）大功率高压变频器：
技术特点：①大范围、全排量，无级连续调节。变频器可以实现输出电源频率0～50 Hz甚至更高的频率调节，调速范围宽；②调节速度从低到高，实现大功率电机软启动。变频调速电机启动是从低速开始，启动平稳，启动电流较小，实现注水机组软启动；③设备采用接入式电气连接。采用电源一变频器一注水电机的串联运行方式，只需进行电气连接即可投用。
技术局限性：①设备功能利用率低，性价比低。受注水管网特性限制，注水站高压变频器的变频工作范围为46～50 Hz，频率再低，注水泵难以保证水量输出；②接入式安装，可靠性差。采用接入并串联的安装方式无法实现故障高压自动切换到工频运行；③设备稳定性差，存在谐波干扰。高压变频器对电网的波动敏感，易造成故障停机及元件损坏，同时造成电网侧谐波含镀增多，产生电网污染。
大功率高压变频调速技术，可以实现注水泵的软启停、恒压（或恒流）控制，消除泵管压差等优点，但多级离心泵高效区狭窄，采用变频器直接驱动，会使注水泵运行工况点偏离稳高效工作区，且一次性投资较大。多级离心泵轴功率N随转速n变化的关系为：
N■=N■?■■（1）
式（1）中，n1、n2为泵的不同转速；N■为泵转速n2时的轴功率；N■为泵转速n1时的轴功率。
可以看出，多级离心泵轴功率的变化与转速的三次方成正比，如果注水泵输出压力调节范围为16～20 MPa，即输出压力变化率为0.8～1，根据比例定律：
■=（■）■（H■、H■为泵输出压力）（2）
离心泵转速变化率为0.89～1，轴功率变化率为0.71～1。可见，变频器直接驱动多级离心泵，使注水泵偏离高效工作区。其他油田已尝试过采用变频器直接驱动多级离心泵来调节注水压力和流量，实际节能效果并不理想。
主要工作量：800kW高压变频器引进安装，预计改造费用120万元。
（3）更换离心式注水泵为柱塞泵：对DF100-150×11注水泵停用，对三台三柱塞泵更新，更新为排量40m3/h，压力16MPa，并实现变频控制。
主要工作量：①更换三台三柱塞泵；②进口出口管线更换及连接，PN16DN200管线40m，PN16DN200阀门两套，PN160DN200管线20m，PN160DN200阀门两套；③250kW变频器引进安装，预计改造费用110万元。
（4）泵控泵（PCP）泵站系统：
技术特点：
①利用低压泵调节高压注水扬程：前置泵采用扬程的低压泵，与高压注水泵串联，调节前置泵输出扬程及流量来控制注水泵出口压力和流量。
②按需配备有限的调节范围。根据泵管压差波动情况，将注水泵叶轮拆掉一级或两级，前置泵相应采用一到两级泵，保证泵管压差在工作范围内最低。
③设备及关键技术成熟，可靠性高：前置泵及低压变频是国内非常成熟的技术，采取常规的工艺连接即可实施，小容量低压变频对电网产生的干扰及谐波污染小。
技术局限性：
①调节范围较小，对生产波动较大的注水站不适应：对一至两级注水泵扬程有调节能力，当生产波动超过调节范围时，无法调节，并对安全平稳生产构成影响，不适于应用在小区块且所辖井数经常变动的注水站。
②现场操作及设备控制保护较复杂：前置泵和注水泵需要进行启停连锁没置，小泵停，大泵必须停，相对常规流程，操作相对复杂，控制保护连锁节点增多。
主要工作量：
①DF100注水泵拆掉一级叶轮；
②安装100m3/h污水提升泵一台，拆除3#三柱塞泵，利用旧基础，安装进出口PN16DN200管线10米，PN16DN200阀门三套，预计改造费用25万元。安装变频柜一台。
（三）终选方案
经过以上的各可选方案比较，从经济和技术角度，安棚注水站都适合采用泵控泵系统进行改造。
具体措施如下：
1.DF100离心泵改造及前置泵选型
（1）拆除一级叶轮（原11级），注水泵所产生的压力降低1.5MPa，直接结果是主泵出口阀门全开，泵管压差为零，消除了阀门消耗的节流损失；注水泵将不存在憋压运行，使注水泵始终保持在最高效率下运行。达到了节能降耗的目的。
（2）拆级后，注水泵的泵压由原来的16.5MPa下降到15.0MPa，增加一台增压泵提供1.0MPa左右的压力，满足管压16.2MPa的压力。
（3）当系统管压波动时，安装在注水干线上的压力变送器检测管压的波动，把采集到的信号送到变频器进行PID运算控制，使增压泵改变压力和排量，达到自动稳定注水管压压力。
（4）根据主泵拆级后的输出压力预测15MPa, 前置泵的选型原则是排量与主泵相同，压力可满足两泵串联后满足注水压力需求，选用Q=100m3/h，P=1.4MPa的100AYG120X2型离心泵，配备电机功率75kW 。
2.自动控制系统硬件选型
可编程控制器(Programmable Controller)采用SIEMENS S7-200 CPU及I/O模块 、嵌入式触摸屏（选用TPC7063E ）、变频调速柜（变频器选用ABB -ASC800，柜内包括电源滤波器、数字开关电源、交流接触器、断路器等附件）。
3.自动控制系统软件
软件部分包括PLC程序的编写和触摸屏内嵌的工程组态软件两大部分。
（1）PLC程序
PLC程序是完成系统控制的核心。包括设备的启停，所有现场数据的采集、数据的运算、控制输出、逻辑关系的处理、保护控制，等等。
（2）触摸屏内嵌的工程组态软件
主控窗口：是工程的主要窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。
设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。
用户窗口：本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面。
实时数据库：是工程各个部分的数据交换与处理中心。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。
运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。
三、现场应用效果
2010年10月，在安棚联合站进行了运行应用，达到了预期目标：平均泵压由原来的17.5MPa降为16.05Mpa，泵管压差由原来的1. 5MPa降到＜0.1MPa；注水单耗下降了1.61kW.h/m3；机组效率从59.41%提高到65.67%，提高了5.95个百分点。年节约费735,475元。年净效益48.5万元，该项目4个月可收回全部投资。
四、结论
泵控泵技术的研究和该技术在河南油田安棚注水泵站的现场应用，突破了河南油田在泵控泵技术只在理论层面的研究，在现场的应用得到了实现和检验；实现了注水压力和流量自动调节；降低了泵管压差和注水单耗，提高了注水泵效率，对油田降低生产成本、提高经济效益有重要作用；对油田同类技术的应用推广，具有借鉴意义。