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運(yùn)用節(jié)能監(jiān)測技術(shù)開展油田輸油泵能耗分析研究及應(yīng)用

文檔作者：季俁汐，畢慶珠，任永祥文檔來源：華北石油管理局節(jié)能監(jiān)測站		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年06月15日
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石油石化節(jié)能
2018 年第7 期總第430 期
41
引言
輸油泵是油田生產(chǎn)中油氣集輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，
從節(jié)能監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)目前，油田在用的大多數(shù)輸油泵
機(jī)組由于多種原因，出現(xiàn)了輸油泵機(jī)組效率低、能耗高
等問題。因此，需要對輸油泵機(jī)組進(jìn)行監(jiān)測、診斷分析，
改善低效運(yùn)行的輸油泵機(jī)組，提高其效率、降低其輸油
單耗[1]。為充分利用輸油泵機(jī)組實際生產(chǎn)運(yùn)行的監(jiān)測數(shù)
據(jù)，文中介紹在節(jié)能監(jiān)測過程中運(yùn)用線性擬合分析、灰
色關(guān)聯(lián)分析法，對輸油泵機(jī)組的工作狀態(tài)進(jìn)行研究分析，
尋找影響輸油泵機(jī)組效率的相關(guān)因素，為提高輸油泵機(jī)
組效率、降低單耗提供可靠的措施建議。
1 2017 年華北油田輸油泵監(jiān)測現(xiàn)狀
根據(jù)《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》（GB/
T31453—2015）和《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》
的監(jiān)測指標(biāo)，從技術(shù)機(jī)構(gòu)對2017 年度華北油田公司運(yùn)
行中的104 臺輸油泵機(jī)組進(jìn)行節(jié)能監(jiān)測分析看，有59 臺
監(jiān)測評價指標(biāo)達(dá)到節(jié)能限定值要求，公司的整體合格率
為56.73% ；泵機(jī)組效率平均值為36.28%，59 臺合格，
37 臺達(dá)到節(jié)能評價值，達(dá)標(biāo)率為35.58% ；其中：有13
運(yùn)用節(jié)能監(jiān)測技術(shù)開展油田輸油泵能耗
分析研究及應(yīng)用
季俁汐，畢慶珠，任永祥
（華北石油管理局節(jié)能監(jiān)測站，河北 任丘 062552）
摘 要：以2017 年華北油田公司104 臺輸油泵節(jié)能監(jiān)測為數(shù)據(jù)來源，以“輸油泵機(jī)組效率、輸油泵單耗”
為切入點，以節(jié)能監(jiān)測技術(shù)手段探索油田生產(chǎn)輸油泵機(jī)組節(jié)能途徑，通過尋找相關(guān)因素與機(jī)組效率、單耗的線
性關(guān)系，及用灰色關(guān)聯(lián)法進(jìn)行分析，確定影響輸油泵機(jī)組效率和單耗的主要敏感因素；并以實際監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，
提出相應(yīng)的優(yōu)化方法，為提高輸油泵機(jī)組效率和降低單耗提出更有針對性的措施建議。
關(guān)鍵詞：節(jié)能監(jiān)測；輸油泵機(jī)組效率；輸油泵單耗；敏感因素；灰色關(guān)聯(lián)法
中圖分類號：TE 89 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1004-7948（2018）07-0041-04
doi ：10.3969/j.issn.1004/7948.2018.07.012
臺輸油泵需要評價節(jié)流損失率，平均值為6.32%，均達(dá)
到限定值標(biāo)準(zhǔn)，合格率為100%，電動機(jī)功率因數(shù)平均
值為0.8025 ；電動機(jī)綜合效率平均值為82.52% ；泵效率
平均值為44.37% ；泵機(jī)組單耗的平均值為1.13kWh/m3 ；
節(jié)能潛力很大。
2 輸油泵參量敏感因素分析
2.1 線性擬合
線性擬合：使用連續(xù)曲線近似地刻畫或比擬平面上
離散點組所表示的坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系，使離散數(shù)據(jù)公
式化，y =f (x ,b ) 稱為擬合模型，當(dāng)b 僅在f 中線形出現(xiàn)時，
稱模型為線形的。其中R 平方值是趨勢線擬合程度的指
標(biāo)，取值范圍在0~1 之間，當(dāng)R 平方值等于1 或接近1 時，
其可靠性最高，反之則可靠性較低。
數(shù)據(jù)來源：2017年華北油田輸油泵節(jié)能監(jiān)測分析數(shù)據(jù)。
目標(biāo)參量：輸油泵機(jī)組效率、輸油泵單耗。
關(guān)聯(lián)生產(chǎn)參數(shù)：泵出口閥后壓力、輸送介質(zhì)流量、
電機(jī)功率因數(shù)、電機(jī)有功功率、輸送介質(zhì)溫度。
輸油泵機(jī)組效率與單耗之間的關(guān)系如圖1 所示。
圖1 輸油泵單耗- 機(jī)組效率散點圖
作者簡介：季俁汐，碩士，助理工程師，研究方向為油田注水系統(tǒng)、
泵機(jī)組節(jié)能監(jiān)測及油氣組分分析。
收稿日期：2018-04-28
5.00
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00
0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00
機(jī)組效率（%）
單耗（kWh/m3）
y =-0.018x +1.762
R 2=0.106
萬方數(shù)據(jù)
石油石化節(jié)能
2018 年第7 期總第430 期
42
圖8 閥后壓力- 單耗散點圖
圖9 功率因數(shù)- 單耗散點圖
圖10 有功功率- 單耗散點圖
圖11 介質(zhì)流量- 單耗散點圖
敏感性參數(shù)分析幾點認(rèn)識如下：
（1）輸油泵機(jī)組的單耗和機(jī)組效率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，即
提高機(jī)組效率的同時，單耗也會隨之降低。
（2）輸油泵的機(jī)組效率與輸送介質(zhì)溫度、閥后壓力、
功率因數(shù)、有功功率和流量呈正相關(guān)，其中機(jī)組效率與
閥后壓力、介質(zhì)流量和功率因數(shù)呈現(xiàn)的線性關(guān)系較好。
（3）輸油泵的單耗與閥后壓力、有功功率呈正相關(guān)；
與介質(zhì)溫度和介質(zhì)流量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，其中單耗對閥后壓
力、實際介質(zhì)流量呈現(xiàn)的線性關(guān)系較好。
2.2 灰色關(guān)聯(lián)法
線性擬合做了趨勢分析，但所計算出的R 的平方值
均不高，并且相差不大，為了進(jìn)一步確定主要影響因素，
挖掘大數(shù)據(jù)在輸油泵效率和單耗方面的應(yīng)用，以“輸油
泵機(jī)組效率”、“輸油泵單耗”為分析目標(biāo)，利用灰色關(guān)
輸油泵機(jī)組效率與各生產(chǎn)參數(shù)之間的關(guān)系如圖2~
圖6 所示。
圖2 輸送介質(zhì)溫度- 機(jī)組效率散點圖
圖3 閥后壓力- 機(jī)組效率散點圖
圖4 功率因數(shù)- 機(jī)組效率散點圖
圖5 有功功率- 機(jī)組效率散點圖
圖6 介質(zhì)流量- 機(jī)組效率散點圖
輸油泵單耗與各生產(chǎn)參數(shù)之間的關(guān)系如圖7~ 圖11
所示。
圖7 輸送介質(zhì)溫度- 單耗散點圖
0.00
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
10.00 20.00 30.00 40.00
機(jī)組效率（%）
閥后壓力（MPa）
50.00 60.00 70.00
y =0.034x +0.119
R 2=0.222
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00
功率因數(shù)
機(jī)組效率（%）
y =0.003x +0.691
R 2=0.185
300.0
250.0
200.0
150.0
100.0
50.0
0.0
0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00
機(jī)組效率（%）
有功功率（kW）
y =1.51x -12.49
R 2=0.167
0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00
機(jī)組效率（%）
200.0
160.0
120.0
80.0
40.0
0.0
介質(zhì)流量（m3/h）
y =1.602x -15.51
R 2=0.219
80.0
60.0
40.0
20.0
0.0
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00
單耗（kWh/m3）
輸送介質(zhì)溫度（℃）
y =-0.0332x +48.857
R 2=4E-0.6
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50
單耗（kWh/m3）
功率因數(shù)
y =0.0435x +0.7535
R 2=0.1
300.0
250.0
200.0
150.0
100.0
50.0
0.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
有功功率（kW）
單耗（kWh/m3）
y =22.27x +17.28
R 2=0.140
200.0
160.0
120.0
80.0
40.0
0.0
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00
單耗（kWh/m3）
介質(zhì)流量（m3/h）
y =-9.803x +53.74
R 2=0.031
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00
閥后壓力（MPa）
單耗（kWh/m3）
y =1.170x +0.206
R 2=0.674
80.0
60.0
40.0
20.0
0.0
0.00 10.00 20.00 30.00 40.00
機(jī)組效率（%）
輸送介質(zhì)溫度（℃）
50.00 60.00 70.00
y =0.289x +38.32
R 2=0.084
萬方數(shù)據(jù)
石油石化節(jié)能
2018 年第7 期總第430 期
43
聯(lián)度分析法，將參與分析的因素對分析目標(biāo)的影響程度
進(jìn)行排序，從線性擬合分析中的可知閥后壓力（揚(yáng)程）、
功率因數(shù)、介質(zhì)流量相對機(jī)組效率和單耗的影響程度較
大，因此在灰色關(guān)聯(lián)度分析中，引入實際揚(yáng)程與額定揚(yáng)
程匹配度、泵的運(yùn)行功率與額定功率匹配度及實際流量
與額定流量匹配度這3 個因素，做進(jìn)一步分析。
灰色理論認(rèn)為，任何隨機(jī)過程都是一定范圍、一定
時區(qū)變化的灰色量，其隨機(jī)過程稱為灰色過程。對于輸
油泵的機(jī)組效率和單耗，各個影響因素不是確定的值，
而是一個變化范圍，即灰數(shù)。根據(jù)影響因素之間的發(fā)展
態(tài)勢的相似或相異程度衡量因素之間的關(guān)聯(lián)程度，區(qū)分
影響因素的主次關(guān)系，定量判斷每個因素對輸油泵機(jī)組
效率、單耗的影響程度。其中，衡量關(guān)聯(lián)度大小的量化
指標(biāo)就是關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度[1]。
選取2017年華北油田104臺輸油泵的節(jié)能監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)
行灰色關(guān)聯(lián)分析，參與分析的因素:電動機(jī)輸入有功功率、
電動機(jī)功率因數(shù)、泵出口閥后壓力、輸送介質(zhì)密度、泵的
實際介質(zhì)流量、實際揚(yáng)程與額定揚(yáng)程匹配度、泵的運(yùn)行功
率與額定功率匹配度及實際流量與額定流量匹配度。輸油
泵機(jī)組效率灰色關(guān)聯(lián)結(jié)果數(shù)據(jù)界面圖如圖12~圖14所示。
圖12 輸油泵機(jī)組效率灰色關(guān)聯(lián)結(jié)果數(shù)據(jù)界面圖
圖13 輸油泵機(jī)組效率灰色關(guān)聯(lián)結(jié)果圖形界面
圖14 輸油泵單耗灰色關(guān)聯(lián)結(jié)果圖形界面
根據(jù)圖13 和圖14, 可知功率匹配度對輸油泵的機(jī)組
效率影響最大，關(guān)聯(lián)度為0.8586，排在第二位和第三位
的是閥后壓力和流量匹配度，關(guān)聯(lián)度為0.7796、0.7439；
對單耗影響最大的是功率匹配度，關(guān)聯(lián)度為0.8341，排
在第二位和第三位的是流量匹配度和揚(yáng)程匹配度。通過
對輸油泵機(jī)組效率和單耗影響因素進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析并
排序，功率匹配度、流量匹配度、揚(yáng)程匹配度對輸油泵
機(jī)組效率和單耗均有重要的影響，為之后調(diào)整輸油泵機(jī)
組參數(shù)提高機(jī)組效率和降低單耗提供了理論依據(jù)。
3 實例分析及優(yōu)化
采油一廠任一聯(lián)3 個外輸泵各參數(shù)如表1 所示。在
滿足實際生產(chǎn)運(yùn)行工況的條件下，采油一廠任一聯(lián)的3
個輸油泵中，1# 輸油泵和2# 輸油泵未達(dá)到限定值，而3#
輸油泵達(dá)到限定值。計算出各個因素的匹配度，如表2。
表1 采油一廠任一聯(lián)3個外輸泵各參數(shù)對比
表2 采油一廠任一聯(lián)三個外輸泵各參數(shù)匹配度對比
泵機(jī)組名稱1# 外輸2# 外輸3# 外輸
額定流量（m3/h） 280 280 260
額定揚(yáng)程（m） 250 250 300
額定功率（kW） 315 315 315
介質(zhì)流量(m3/h) 164.10 164.30 189.60
實際揚(yáng)程（m） 83.52 83.88 107.60
有功功率(kW） 81.72 82.02 89.42
單耗（kWh/m3） 0.50 0.50 0.47
機(jī)組效率(%) 38.60 38.67 51.83
合格指標(biāo)≥ 49 ≥ 49 ≥ 49
考核結(jié)果不合格不合格合格
泵機(jī)組名稱功率匹配度流量匹配度揚(yáng)程匹配度
1# 外輸0.2594 0.5860 0.3341
2# 外輸0.2604 0.5867 0.3355
3# 外輸0.2839 0.7292 0.3587
1.0
0.8586
0.7796 0.7439 0.7407
0.6701 0.6628
0.5981 0.5580
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
關(guān)聯(lián)度
功率匹配度閥后壓力
影響因素
流量匹配度揚(yáng)程匹配度有功功率功率因數(shù)介質(zhì)密度流量
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
功率匹配度流量匹配度揚(yáng)程匹配度介質(zhì)密度
影響因素
關(guān)聯(lián)度
0.8341 0.7781 0.7730 0.7694 0.7623 0.7606 0.7024 0.6903
功率因數(shù)閥后壓力流量有功功率
萬方數(shù)據(jù)
石油石化節(jié)能
2018 年第7 期總第430 期
44
從表2 中可以看出，3# 輸油泵在功率、流量、揚(yáng)程
這3 個方面匹配度均優(yōu)于1# 輸油泵和2# 輸油泵，更接近
于額定值，這與灰色關(guān)聯(lián)法計算出結(jié)果相一致。
采油二廠岔北聯(lián)合站2# 外輸泵機(jī)組的額定流量為
25m3/h，根據(jù)《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》（GB/T
31453—2015），其機(jī)組效率合格值為30%，節(jié)能評價值
為34%，在此次監(jiān)測中，其運(yùn)行效率只有12.35%，單
耗為0.63kWh/m3 為本年度監(jiān)測的104 臺外輸泵中的最低
效率值，鑒于以上的分析，將功率匹配度、流量匹配度、
揚(yáng)程匹配度做為主要調(diào)整參數(shù)，其功率匹配度只有0.17，
泵的閥后壓力（揚(yáng)程）、流量匹配度分別為：0.20、0.32。
根據(jù)“灰色關(guān)聯(lián)法”分析結(jié)果，建議對岔北站2# 外輸泵
進(jìn)行節(jié)能改造采取以下優(yōu)化措施：
（1）將DYT25-50×3 三級離心泵拆級改造為單級
離心泵，額定揚(yáng)程從150m 降為50m，泵的閥后壓力（揚(yáng)
程）匹配度從0.20 提高到0.80。
（2）采用車削葉輪的方法減小葉輪的尺寸，通過計
算輸油泵的比轉(zhuǎn)速，確定最大削割量為9%，流量匹配
度從0.32 提升至0.36。
（3）減小電動機(jī)的容量，將30kW 電動機(jī)更換為
11kW，功率匹配度從0.17 提升到0.28。經(jīng)過優(yōu)化改造，
該泵機(jī)組運(yùn)行效率達(dá)到31.5%，單耗降為0.38kWh/m3，
達(dá)到了節(jié)能限定值要求，節(jié)能效果明顯?？梢姼鶕?jù)實際
生產(chǎn)工況選用相匹配的輸油泵是確保泵機(jī)組高效運(yùn)行的
有效保障。
4 結(jié)語
基于2017 年華北油田公司輸油泵節(jié)能監(jiān)測的數(shù)據(jù)，
通過線性擬合分析和灰色關(guān)聯(lián)法對輸油泵機(jī)組效率和單
耗進(jìn)行的研究，通過應(yīng)用實例分析，對輸油泵的工作狀
態(tài)進(jìn)行了評價，從而得出以下結(jié)論：
（1）通過線性擬合分析發(fā)現(xiàn)輸油泵單耗和機(jī)組效率
呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，即提高機(jī)組效率的同時，單耗也會隨之降
低；機(jī)組效率與閥后壓力、功率因數(shù)、介質(zhì)流量呈現(xiàn)正
相關(guān)并且線性關(guān)系較好；輸油泵單耗與閥后壓力為正相
關(guān)，與實際流量為負(fù)相關(guān)，并呈現(xiàn)的線性關(guān)系較好。
（2）利用灰色關(guān)聯(lián)法研究發(fā)現(xiàn)，與輸油泵機(jī)組效率
關(guān)聯(lián)度最高的功率匹配度，其次是泵閥后壓力、流量匹
配度和揚(yáng)程匹配度；與輸油泵單耗關(guān)聯(lián)度最高的是功率
匹配度，其次是流量匹配度、揚(yáng)程匹配度。
（3）在離心泵選型時，功率匹配度、流量匹配度、
揚(yáng)程匹配度作為主要參數(shù)，針對不同工況下離心泵的功
率、揚(yáng)程及流量不宜考慮過多富余，盡量控制在銘牌標(biāo)
注的范圍內(nèi)，使實際運(yùn)行值更接近于額定值，保證泵在
最高效率點運(yùn)轉(zhuǎn)，獲得最大節(jié)能效果。
（4）輸油泵敏感性研究在節(jié)能監(jiān)測大量數(shù)據(jù)的支撐
下，建立了單因素分析和灰色關(guān)聯(lián)度數(shù)學(xué)分析模型，有
效挖掘輸油泵節(jié)能潛力，并為輸油泵機(jī)組的節(jié)能改造提
供了有力的理論依據(jù)，以此來調(diào)整生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)，從而
實現(xiàn)輸油生產(chǎn)過程中的機(jī)組優(yōu)化，達(dá)到最佳的節(jié)能降耗、
提質(zhì)增效的目的，使節(jié)能監(jiān)測技術(shù)與節(jié)能技改結(jié)合有了
更廣泛的意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 彭建，史威，劉洋，等. 集輸系統(tǒng)中輸油泵效率挖掘應(yīng)用
研究[J]. 石油工程技術(shù)，2015，（12）：56-64.

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