一种一泵控多泵的节能注水装置及方法
技术领域
本发明属于工业控制技术领域，具体涉及到泵控泵技术及系统控制，特别涉及一种一泵控多泵的节能注水装置及方法。
背景技术
油田注水过程中，管线所需注水压力、流量发生改变时，协调各注水机组之间的工作很复杂且由于注水过程中各环节都需要人工执行，自动化程度低，信息反馈速度慢，注水参数不能及时调节且范围有限。
传统注水系统中常见离心泵机组效率低、供水单耗高，系统无调节功能；同时注水现场常面临排量小、注水需求变化大的问题。传统的多台注水离心泵出口的压力和流量是通过调节离心泵出口阀门的开度来满足需求，因此出口阀通常无法完全打开，常采用憋压运行，这样能源就浪费在阀门上；近几年出现的直接高压大变频系统，虽然实现了压力流量可调，但使离心泵偏离了高效区，以降低泵效为代价。
发明内容
本发明的目的在于针对注水现场负荷变化大、注水离心泵可调效果不理想的情况而提供一种一泵控多泵的节能注水装置及方法；通过对多台并联运行的注水离心泵机组拆级，并在其前建立一个增压泵机组，并对增压泵转速的调节实现注水量的改变，能够高效、快捷地完成注水工作。该发明能够实现多台离心泵同时工作在高效区，系统的压力流量能先粗控再细调，实现大范围的压力流量调节，且工程参数自动采集、系统联锁保护和自动起停等功能的自动注水技术。
为了达到上述目的，本发明一方面公开了一种一泵控多泵的节能注水装置，该装置由进水系统、增压泵机组、第一拆级注水泵机组、第二拆级注水泵机组、第三拆级注水泵机组、汇管部分和专用控制系统组成。
所述的第一拆级注水泵机组、第二拆级注水泵机组和第三拆级注水泵机组并联连接，其输出端连接汇管部分，入口端依次连接进水系统和增压泵机组；所述的专用控制系统分别控制进水系统、增压泵机组、第一拆级注水泵机组、第二拆级注水泵机组、第三拆级注水泵机组和汇管部分。
其中，所述的进水系统包括过滤间，储水罐组，液位传感器，过滤间和储水罐组通过高压管线连接，液位传感器位于储水罐组内，用于监测储水罐组的液位。进水系统为装置提供合格充足的水量。
所述的增压泵机组包括增压泵组第一截止阀、增压泵组第二截止阀、增压泵组第三截止阀、增压泵和增压泵组压力传感器。增压泵组第二截止阀、增压泵和增压泵组第三截止阀依次连接后与增压泵组第一截止阀并联连接，其后与增压泵组压力传感器串联连接。
所述的第一拆级注水泵机组包括依次连接的第一拆级注水泵机组第一截止阀、第一注水泵、第一拆级注水泵机组第二截止阀、第一拆级注水泵机组压力传感器和第一止回阀。
所述的第二拆级注水泵机组包括依次连接的第二拆级注水泵机组第一截止阀、第二注水泵、第二拆级注水泵机组第二截止阀、第二拆级注水泵机组压力传感器和第二止回阀。
所述的第三拆级注水泵机组包括依次连接的第三拆级注水泵机组第一截止阀、第三注水泵、第三拆级注水泵机组第二截止阀、第三拆级注水泵机组压力传感器和第三止回阀。
所述的汇管部分包括汇管部分第一截止阀、汇管部分第二截止阀、汇管部分第三截止阀、汇管部分压力传感器、流量传感器。所述的汇管部分第一截止阀、汇管部分第二截止阀和汇管部分第三截止阀并联连接后依次与流量传感器和汇管部分压力传感器连接。压力传感器、流量传感器的信号送入专用控制系统，专用控制系统所需的流量及压力的大小由汇管终端用水决定。
所述的专用控制系统包括控制柜、计算机监控系统、变频调速控制系统。所述的计算机监控系统、变频调速控制系统和控制柜通过有线或无线的方式连接。所述的变频调速控制系统与增压泵相连，通过控制增压泵的转速来改变增压泵机组的出口的流量和压力，同时间接控制着第一拆级注水泵机组、第二拆级注水泵机组、第三拆级注水泵机组的出口流量和压力。专用控制系统对采集到的压力、流量、液位信号进行优化分析，给出控制指令，并通过控制柜调节各设备的通断，实现控制、联锁保护和自动起停等功能。
所述的变频调速控制系统与增压泵机组相连，通过控制增压泵组的转速来改变增压泵机组的出口的流量和压力，同时间接控制着第一拆级注水泵机组、第二拆级注水泵机组、第三拆级注水泵机组的出口流量和压力。
本发明的另一个目的公开了一种一泵控多泵的节能注水的方法，该方法具体包括以下步骤：
(1)应用条件的筛选
现场应用需要满足以下条件之一：
①需要对泵站提升排量，并进行大范围的压力和流量调节；
②需要降低泵站的泵管压差；
③需要提高离心泵效率；
④需要提高泵站自动化水平，实现数据自动采集、自动启停和联锁保护；⑤需要对注水系统进行优化，包括对管网和泵站同时进行优化。
(2)实施方案的确定
据注水站工艺及现场需求，确定采用一个泵控多泵的数量、需要拆级注水泵的数量以及拆级的级数；增压泵机组根据注水泵拆级的参数确定增压泵机组分担的压力大小，匹配增压泵机组的参数，并通过对增压泵机组的变频调速实现装置的压力流量的调节，同时为注水泵提供前置压力。
(3)增压泵机组的配置
配置增压泵，首先确定其安装位置，并用旁路的方式接入现有系统，以此不影响现有工艺的使用，需要时再接入增压泵。
(4)专用控制系统的配置
配置专用控制系统的控制柜、计算机监控系统、变频调速控制系统，并确定其安装的具体位置。
(5)现场施工与运行
按照上述步骤(3)和(4)确定的配置进行现场施工，按照步骤(2)确定的实施方案进行现场运行，离心泵机组的压力流量能先粗控再细调，实现大范围的压力流量调节，且工程参数自动采集、系统联锁保护和自动起停功能的自动注水。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明中对多台注水离心泵进行拆级，并使泵工作在高效区，再根据拆级的参数合理匹配增压泵，并对其变频调速来控制系统的压力和流量，这样多台注水离心泵出口阀门都可以完全打开，浪费在多个阀门上的能源就会节约下来。
(2)注水系统的扬程及流量大小可根据工况先对多组并联的拆级离心泵进行组合，确定注水泵的工作台数，再对匹配的增压泵变频调速，从而实现先粗控再细调，大范围控制扬程及流量。
(3)本发明增压泵的加入，提高了多台注水离心泵入口压力，从而改善了注水离心泵的工作状况，使注水离心泵的工作点向高效区移动，因此其效率也得以增加。
(4)本发明中注水系统可进行压力、流量的自动调节，这样可最大限度减少多台离心泵的泵管压差，直到趋于零；而泵管压差的降低，实际上就是系统有用功率的提高，从而达到节能的目的；注水离心泵与增压泵的合理匹配，可以提高系统效率，降低增压泵负荷。
(5)各管道、增压泵机组和各注水离心泵上的流量计、压力传感器等，将采集到的实时数据送到开发的专用控制系统上，并对采集到的信号进行优化分析，给出合理地控制指令，通过控制柜调节各设备的通断，实现自动注水和监控保护。
附图说明
图1是本发明一泵控多泵的节能注水装置的结构示意和流程图。
具体实施方式：
如图1所示，一种一泵控多泵的节能注水装置，该装置由进水系统1、增压泵机组2、第一拆级注水泵机组3、第二拆级注水泵机组4、第三拆级注水泵机组5、汇管部分6和专用控制系统7组成。
第一拆级注水泵机组3、第二拆级注水泵机组4和第三拆级注水泵机组5并联连接，其输出端连接汇管部分6，入口端依次连接进水系统1和增压泵机组2；所述的专用控制系统7分别控制进水系统1、增压泵机组2、第一拆级注水泵机组3、第二拆级注水泵机组4、第三拆级注水泵机组5和汇管部分6。
进水系统1包括过滤间101，储水罐组102，液位传感器103，过滤间101和储水罐组102通过高压管线连接，液位传感器103位于储水罐组102内，用于监测储水罐组102的液位。进水系统为装置提供合格充足的水量。
增压泵机组2包括增压泵组第一截止阀201、增压泵组第二截止阀202、增压泵组第三截止阀204、增压泵203和增压泵组压力传感器205。增压泵组第二截止阀202、增压泵203和增压泵组第三截止阀204依次连接后与增压泵组第一截止阀201并联连接，其后与增压泵组压力传感器205串联连接。
第一拆级注水泵机组3包括依次连接的第一拆级注水泵机组第一截止阀301、第一注水泵302、第一拆级注水泵机组第二截止阀303、第一拆级注水泵机组压力传感器304和第一止回阀305。
第二拆级注水泵机组4包括依次连接的第二拆级注水泵机组第一截止阀401、第二注水泵402、第二拆级注水泵机组第二截止阀403、第二拆级注水泵机组压力传感器404和第二止回阀405。
第三拆级注水泵机组5包括依次连接的第三拆级注水泵机组第一截止阀501、第三注水泵502、第三拆级注水泵机组第二截止阀503、第三拆级注水泵机组压力传感器504和第三止回阀505。
汇管部分6包括汇管部分第一截止阀601、汇管部分第二截止阀602、汇管部分第三截止阀603、汇管部分压力传感器604、流量传感器605。其中，汇管部分第一截止阀601、汇管部分第二截止阀602和汇管部分第三截止阀603并联连接后依次与流量传感器605和汇管部分压力传感器604连接。压力传感器、流量传感器的信号送入专用控制系统，专用控制系统所需的流量及压力的大小由汇管终端用水决定。
专用控制系统7包括控制柜701、计算机监控系统702、变频调速控制系统703。其中，计算机监控系统702、变频调速控制系统703和控制柜701通过有线或无线的方式连接。所述的变频调速控制系统703与增压泵203相连，通过控制增压泵203的转速来改变增压泵机组2的出口的流量和压力，同时间接控制着第一拆级注水泵机组3、第二拆级注水泵机组4、第三拆级注水泵机组5的出口流量和压力。专用控制系统对采集到的压力、流量、液位信号进行优化分析，给出控制指令，并通过控制柜调节各设备的通断，实现控制、联锁保护和自动起停等功能。
变频调速控制系统与增压泵机组相连，通过控制增压泵组的转速来改变增压泵机组的出口的流量和压力，同时间接控制着第一拆级注水泵机组、第二拆级注水泵机组、第三拆级注水泵机组的出口流量和压力。
利用上述装置实现一种一泵控多泵的节能注水的方法，该方法具体包括以下步骤：
(1)应用条件的筛选
现场应用需要满足以下条件之一：
①需要对泵站提升排量，并进行大范围的压力和流量调节；
②需要降低泵站的泵管压差；
③需要提高离心泵效率；
④需要提高泵站自动化水平，实现数据自动采集、自动启停和联锁保护；⑤需要对注水系统进行优化，包括对管网和泵站同时进行优化。
(2)实施方案的确定
据注水站工艺及现场需求，确定采用一个泵控多泵的数量、需要拆级注水泵的数量以及拆级的级数；增压泵机组根据注水泵拆级的参数确定增压泵机组分担的压力大小，匹配增压泵机组的参数，并通过对增压泵机组的变频调速实现装置的压力流量的调节，同时为注水泵提供前置压力。
(3)增压泵机组的配置
配置增压泵，首先确定其安装位置，并用旁路的方式接入现有系统，以此不影响现有工艺的使用，需要时再接入增压泵。
(4)专用控制系统的配置
配置专用控制系统的控制柜、计算机监控系统、变频调速控制系统，并确定其安装的具体位置。
(5)现场施工与运行
按照上述步骤(3)和(4)确定的配置进行现场施工，按照步骤(2)确定的实施方案进行现场运行，离心泵机组的压力流量能先粗控再细调，实现大范围的压力流量调节，且工程参数自动采集、系统联锁保护和自动起停功能的自动注水。
实施例1：延长油田某采油厂注水站
实施本发明前注水泵站的运行情况：
单台泵运行参数：压力2MPa，流量38.3m3/h，电流82A，电压400V，功率因数0.85，汇管压力1.7MPa。
经计算：有效功率为21kW，有功功率为48kW(两台泵则为P1＝96kW)机组效率为43％，注水单耗为1.25kW·h/m3，泵管压差0.3MPa(两台泵则为0.6MPa)。
存在问题：供水机组效率低、供水单耗高、泵管压差大，且系统无自动调节功能。
实施本发明的具体步骤如下：
(1)应用条件的筛选
现场满足以下二个条件：
①需要降低泵站的泵管压差；
②需要提高离心泵效率。
满足本发明的筛选条件，可以实施本发明。
(2)实施方案的确定
据供水站工艺及现场需求，确定采用一个泵控两个泵的方案。现场三台泵都需要拆一级，两用一备；根据注水泵拆一级的参数确定增压泵机组分担0.5MPa以内的压力，并通过对增压泵机组的变频调速实现装置的压力流量的调节，同时为注水泵提供前置压力。
(3)增压泵机组的配置
首先确定增压泵机组安装位置，通过现场考察认为现有泵房不适合再增加设备，为此需另建增压泵房。增压泵机组用旁路的方式接入现有系统，以此不影响现有工艺的使用，需要时再接入增压泵机组。
(4)专用控制系统的配置
据上述需求配置专用控制系统的控制柜、计算机监控系统、变频调速控制系统，并确定了安装的具体位置。
(5)现场施工与运行
按照上述步骤(3)和(4)确定的配置进行现场施工，按照步骤(2)确定的实施方案进行现场运行，效果如下：
运行参数：注水泵压力1.5MPa，增压泵压力为0.5MPa，总压力2.0MPa，增压泵功率为6KW。
经计算：注水泵功率为55KW(两台，泵效按58％)，系统运行总功率为P0＝55KW+6KW＝61KW，注水单耗为0.79kW·h/m3，泵管压差为0.1MPa。
与发明前注水系统运行时功率相比：
△P＝P1－P0＝96–61＝35KW
每天节电：35KW×24h＝840KWh
每年节电：840KWh×360＝302400KWh
每度电(按市电0.6元计算)：302400KWh×0.6元/KWh＝18万元
单耗下降＝1.25-0.79＝0.46kW·h/m3
泵管压差下降＝0.6-0.1＝0.5MPa
本发明示例中供水泵效由43％提高到58％，注水单耗由1.25kW·h/m3下降至0.79kW·h/m3，且大幅降低了泵管压差，系统压力、流量还在一定范围内可调，节能效果明显。
实施例2：新疆油田某采油厂注水站
实施本发明前注水泵站的运行情况：注水系统运行参数：站供出压力6MPa、流量148m3/h。
存在问题：泵站的排量已经不能满足供水需求，且自动化程度低。
实施本发明的具体步骤如下：
(1)应用条件的筛选
现场满足以下二个条件：
①需要对泵站提升排量，具有大范围的压力和流量调节功能；
②需要提高泵站自动化水平，实现数据自动采集、自动启停和联锁保护。
满足本发明的筛选条件，可以实施本发明。
(2)实施方案的确定
据注水站工艺及现场需求，确定采用按需组合的方案，三台泵可以一控一或一控二，按需切换，不用的泵备用，现场三台泵都不需要拆级；根据注水泵的参数确定增压泵机组分担1MPa以内的压力，并通过对增压泵机组的变频调速实现装置的压力流量的调节，同时为注水泵提供前置压力。
(3)增压泵机组的配置
首先确定增压泵机组安装位置，通过现场考察认为可将增压泵机组放在现有泵房内，增压泵机组用旁路的方式接入现有系统，以此不影响现有工艺的使用，需要时再接入增压泵机组。
(4)专用控制系统的配置
据上述需求配置专用控制系统的控制柜、计算机监控系统、变频调速控制系统，并确定了安装的具体位置。
(5)现场施工与运行
按照上述步骤(3)和(4)确定的配置进行现场施工，按照步骤(2)确定的实施方案进行现场运行，效果如下：
运行参数：站供出压力6MPa、流量180m3/h。
与发明前注水系统运行时相比：
每小时增注水：180m3/h-148m3/h＝32m3/h
则一年增注水：32m3/h×24×360＝276480吨
本发明示例中注水系统压力调节范围为5.2～6MPa，流量可大范围按需调节，最大提升20％，可满足油田注水需求，且实现了系统数据自动采集、自动启停和联锁保护，提高了泵站的自动化水平。
本发明的一泵控多泵的节能注水方法具有大幅度降低注水单耗的功能，同时能大范围提升泵站的排量且在20％范围内压力和流量可调，并保持多台注水泵始终工作在高效区，且易实现泵站与管网两者之间的动态平衡。从油田发展来看，注水量逐年增加，可以靠一泵控多泵的节能注水方法提升泵站的排量，且按需调节压力和流量的功能来解决，而无需增加其它注水设备。
