沈三聯水處理系統水力計算

中國石油遼河油田分公司沈陽采油廠

沈三聯水處理系統水力計算

于立輝中國石油遼河油田分公司沈陽采油廠

沈陽油田已進入開發中后期，油井采液指數大幅提高，對應的注水量需求也隨之增大，注水耗能問題日益突出。沈三聯注水系統能量分布主要包括泵機組能耗、站—間管網能耗、增注泵能耗、配水間內管網能耗。從沈三聯注水系統能量分布可以看出，能耗最大的兩個環節是注水泵機組能耗和配水間內的節流損失。

注水系統；能耗評價；水力計算；節流損失

沈陽油田已進入開發中后期，油井采液指數大幅提高，對應的注水量需求也隨之增大，注水耗能問題日益突出。沈三聯注水系統有注水井119口，系統壓力19MPa，日注水量3 800m3，覆蓋11個開發單元。不同開發單元間儲層物性差異較大，造成水井注水壓力需求差別較大，從5MPa至23MPa不等，注水單耗9.2 kW·h/m3。

1 能耗分布分析原理

研究建立適合于油田注水工藝流程的能耗評價指標，并對沈三聯注水系統的能耗狀況進行分析，確定能耗分布規律：①開展注水系統能耗評價方法研究，建立注水系統及其用能單元的能量平衡分析模型，確定相應的能耗評價及分析指標；②根據沈三聯注水管網的實際運行工況，制定系統能耗測試方案，并開展能耗測試；③開展沈三聯注水系統水力分析計算方法及其修正技術研究；④進行沈三聯注水系統能耗測試結果分析與評價。

2 能耗評價及分析指標

根據能量守衡與轉換定律，對于確定的體系來說：帶入體系能量+外界供給能量=體系損耗能量+輸出能量。能量平衡模型如圖1所示，注水系統的能量平衡模型如圖2所示。其能量平衡方程為

圖1 體系能量平衡模型

圖2 注水系統能量平衡模型

式中Esd為注水站輸入電動機能量（kW·h）；Esw為注水站注水泵入口水流帶入能量（kW·h）；Ead為配水間輸入電動機能量（kW·h）；Ewd為井口輸入電動機能量（kW·h）；Ess為注水站損失能量，包括泵機組和站內閥組能損（kW·h）；Egs為管網損失能量（kW·h）；Eas為配水間損失能量，包括泵機組和站內閥組能損（kW·h）；Ews為井口調節設備損失能量，包括泵機組和閥組能損（kW·h）；Eu為經過注水系統的注入水帶走能量（kW·h）。

3 水力分析計算方法及修正技術

3.1水力計算基本方程

根據節點流量連續性方程，流入、流出節點的流量代數和為0，即

式中qij為與節點i相連的第j條管線的流量（m3/s），其中流入為負、流出為正；n為與節點i相連的管線條數。

3.2壓降計算

注水管網中管道的壓降主要取決于水頭損失，計算公式如下

式中Δp為管道壓降（Pa）；ρ為流體密度（kg/m3）；g為重力加速度（m/s2）；hf為沿程水頭損失（m）；hj為局部水頭損失（m）。

其中，沿程水頭損失是水流通過直管段所產生的摩阻損失，按照下式計算

式中λ為水力摩阻系數；D為管徑（m）；L為管長（m）；v為水的流速（m/s）。

水力摩阻系數的計算見表1。

表1 不同流動狀態下摩阻系數λ的值

局部摩阻損失按照下式計算

式中ζ為局部阻力系數，對于閥門來說ζ是一個可變的量，與閥門的開度和連接管的直徑有關。

3.3水力計算方法修正

經對注水管網整體進行水力計算表明，理論計算結果與實際數據存在一定偏差。本文采用下式對管網水力摩阻系數進行修正

建立無約束優化模型對α1,α2,α3,...,αnl進行求解，得到修正系數α1,α2,α3,...,αnl，然后帶入到水力計算關系式中，可以有效提高水力計算精度。

利用此修正系數對注水管網管線進行修復前后的管線能損計算。對能損較大的注水管線流速進行分析，即沈三聯到去往11#站的交匯點6段管線內水流速偏大。另外4條能損較大的管線介質流速與經濟流速進行比較，流速仍然為合理。

4 注水系統能耗分析與評價

沈三聯注水系統能量分布主要包括泵機組能耗、站—間管網能耗、增注泵能耗、配水間內管網能耗，能量分布結果如表2所示。

表2 沈三聯注水系統能量平衡匯總

從表2可以看出，能耗最大的兩個環節是注水泵機組能耗和配水間內的節流損失。注水泵機組能耗高的主要原因是由于實際注水量小于注水泵的額定排量，造成注水泵工作在低效率區域，注水泵機組能耗就大，注水泵本身的額定效率也偏低。配水間內的節流損失大的主要原因是由于進入配水間的壓力太高，注水井所需要的壓力較小，這個較大的壓差造成了配水間節流損失大。

（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.1.024