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运用节能监测技术开展油田输油泵能耗分析研究及应用

文档作者：季俣汐，毕庆珠，任永祥文档来源：华北石油管理局节能监测站		点击数：	更新时间： 2024年06月15日
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石油石化节能
2018 年第7 期总第430 期
41
引言
输油泵是油田生产中油气集输系统中的关键设备，
从节能监测过程中发现目前，油田在用的大多数输油泵
机组由于多种原因，出现了输油泵机组效率低、能耗高
等问题。因此，需要对输油泵机组进行监测、诊断分析，
改善低效运行的输油泵机组，提高其效率、降低其输油
单耗[1]。为充分利用输油泵机组实际生产运行的监测数
据，文中介绍在节能监测过程中运用线性拟合分析、灰
色关联分析法，对输油泵机组的工作状态进行研究分析，
寻找影响输油泵机组效率的相关因素，为提高输油泵机
组效率、降低单耗提供可靠的措施建议。
1 2017 年华北油田输油泵监测现状
根据《油田生产系统节能监测规范》（GB/
T31453—2015）和《油田生产系统能耗测试和计算方法》
的监测指标，从技术机构对2017 年度华北油田公司运
行中的104 台输油泵机组进行节能监测分析看，有59 台
监测评价指标达到节能限定值要求，公司的整体合格率
为56.73% ；泵机组效率平均值为36.28%，59 台合格，
37 台达到节能评价值，达标率为35.58% ；其中：有13
运用节能监测技术开展油田输油泵能耗
分析研究及应用
季俣汐，毕庆珠，任永祥
（华北石油管理局节能监测站，河北 任丘 062552）
摘 要：以2017 年华北油田公司104 台输油泵节能监测为数据来源，以“输油泵机组效率、输油泵单耗”
为切入点，以节能监测技术手段探索油田生产输油泵机组节能途径，通过寻找相关因素与机组效率、单耗的线
性关系，及用灰色关联法进行分析，确定影响输油泵机组效率和单耗的主要敏感因素；并以实际监测数据为例，
提出相应的优化方法，为提高输油泵机组效率和降低单耗提出更有针对性的措施建议。
关键词：节能监测；输油泵机组效率；输油泵单耗；敏感因素；灰色关联法
中图分类号：TE 89 文献标识码：B 文章编号：1004-7948（2018）07-0041-04
doi ：10.3969/j.issn.1004/7948.2018.07.012
台输油泵需要评价节流损失率，平均值为6.32%，均达
到限定值标准，合格率为100%，电动机功率因数平均
值为0.8025 ；电动机综合效率平均值为82.52% ；泵效率
平均值为44.37% ；泵机组单耗的平均值为1.13kWh/m3 ；
节能潜力很大。
2 输油泵参量敏感因素分析
2.1 线性拟合
线性拟合：使用连续曲线近似地刻画或比拟平面上
离散点组所表示的坐标之间的函数关系，使离散数据公
式化，y =f (x ,b ) 称为拟合模型，当b 仅在f 中线形出现时，
称模型为线形的。其中R 平方值是趋势线拟合程度的指
标，取值范围在0~1 之间，当R 平方值等于1 或接近1 时，
其可靠性最高，反之则可靠性较低。
数据来源：2017年华北油田输油泵节能监测分析数据。
目标参量：输油泵机组效率、输油泵单耗。
关联生产参数：泵出口阀后压力、输送介质流量、
电机功率因数、电机有功功率、输送介质温度。
输油泵机组效率与单耗之间的关系如图1 所示。
图1 输油泵单耗- 机组效率散点图
作者简介：季俣汐，硕士，助理工程师，研究方向为油田注水系统、
泵机组节能监测及油气组分分析。
收稿日期：2018-04-28
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2.00
1.00
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0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00
机组效率（%）
单耗（kWh/m3）
y =-0.018x +1.762
R 2=0.106
万方数据
石油石化节能
2018 年第7 期总第430 期
42
图8 阀后压力- 单耗散点图
图9 功率因数- 单耗散点图
图10 有功功率- 单耗散点图
图11 介质流量- 单耗散点图
敏感性参数分析几点认识如下：
（1）输油泵机组的单耗和机组效率呈现负相关，即
提高机组效率的同时，单耗也会随之降低。
（2）输油泵的机组效率与输送介质温度、阀后压力、
功率因数、有功功率和流量呈正相关，其中机组效率与
阀后压力、介质流量和功率因数呈现的线性关系较好。
（3）输油泵的单耗与阀后压力、有功功率呈正相关；
与介质温度和介质流量呈现负相关，其中单耗对阀后压
力、实际介质流量呈现的线性关系较好。
2.2 灰色关联法
线性拟合做了趋势分析，但所计算出的R 的平方值
均不高，并且相差不大，为了进一步确定主要影响因素，
挖掘大数据在输油泵效率和单耗方面的应用，以“输油
泵机组效率”、“输油泵单耗”为分析目标，利用灰色关
输油泵机组效率与各生产参数之间的关系如图2~
图6 所示。
图2 输送介质温度- 机组效率散点图
图3 阀后压力- 机组效率散点图
图4 功率因数- 机组效率散点图
图5 有功功率- 机组效率散点图
图6 介质流量- 机组效率散点图
输油泵单耗与各生产参数之间的关系如图7~ 图11
所示。
图7 输送介质温度- 单耗散点图
0.00
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
10.00 20.00 30.00 40.00
机组效率（%）
阀后压力（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
功率因数
机组效率（%）
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
机组效率（%）
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
机组效率（%）
200.0
160.0
120.0
80.0
40.0
0.0
介质流量（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
单耗（kWh/m3）
输送介质温度（℃）
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
单耗（kWh/m3）
功率因数
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）
单耗（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
单耗（kWh/m3）
介质流量（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
阀后压力（MPa）
单耗（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
机组效率（%）
输送介质温度（℃）
50.00 60.00 70.00
y =0.289x +38.32
R 2=0.084
万方数据
石油石化节能
2018 年第7 期总第430 期
43
联度分析法，将参与分析的因素对分析目标的影响程度
进行排序，从线性拟合分析中的可知阀后压力（扬程）、
功率因数、介质流量相对机组效率和单耗的影响程度较
大，因此在灰色关联度分析中，引入实际扬程与额定扬
程匹配度、泵的运行功率与额定功率匹配度及实际流量
与额定流量匹配度这3 个因素，做进一步分析。
灰色理论认为，任何随机过程都是一定范围、一定
时区变化的灰色量，其随机过程称为灰色过程。对于输
油泵的机组效率和单耗，各个影响因素不是确定的值，
而是一个变化范围，即灰数。根据影响因素之间的发展
态势的相似或相异程度衡量因素之间的关联程度，区分
影响因素的主次关系，定量判断每个因素对输油泵机组
效率、单耗的影响程度。其中，衡量关联度大小的量化
指标就是关联系数和关联度[1]。
选取2017年华北油田104台输油泵的节能监测数据进
行灰色关联分析，参与分析的因素:电动机输入有功功率、
电动机功率因数、泵出口阀后压力、输送介质密度、泵的
实际介质流量、实际扬程与额定扬程匹配度、泵的运行功
率与额定功率匹配度及实际流量与额定流量匹配度。输油
泵机组效率灰色关联结果数据界面图如图12~图14所示。
图12 输油泵机组效率灰色关联结果数据界面图
图13 输油泵机组效率灰色关联结果图形界面
图14 输油泵单耗灰色关联结果图形界面
根据图13 和图14, 可知功率匹配度对输油泵的机组
效率影响最大，关联度为0.8586，排在第二位和第三位
的是阀后压力和流量匹配度，关联度为0.7796、0.7439；
对单耗影响最大的是功率匹配度，关联度为0.8341，排
在第二位和第三位的是流量匹配度和扬程匹配度。通过
对输油泵机组效率和单耗影响因素进行灰色关联分析并
排序，功率匹配度、流量匹配度、扬程匹配度对输油泵
机组效率和单耗均有重要的影响，为之后调整输油泵机
组参数提高机组效率和降低单耗提供了理论依据。
3 实例分析及优化
采油一厂任一联3 个外输泵各参数如表1 所示。在
满足实际生产运行工况的条件下，采油一厂任一联的3
个输油泵中，1# 输油泵和2# 输油泵未达到限定值，而3#
输油泵达到限定值。计算出各个因素的匹配度，如表2。
表1 采油一厂任一联3个外输泵各参数对比
表2 采油一厂任一联三个外输泵各参数匹配度对比
泵机组名称1# 外输2# 外输3# 外输
额定流量（m3/h） 280 280 260
额定扬程（m） 250 250 300
额定功率（kW） 315 315 315
介质流量(m3/h) 164.10 164.30 189.60
实际扬程（m） 83.52 83.88 107.60
有功功率(kW） 81.72 82.02 89.42
单耗（kWh/m3） 0.50 0.50 0.47
机组效率(%) 38.60 38.67 51.83
合格指标≥ 49 ≥ 49 ≥ 49
考核结果不合格不合格合格
泵机组名称功率匹配度流量匹配度扬程匹配度
1# 外输0.2594 0.5860 0.3341
2# 外输0.2604 0.5867 0.3355
3# 外输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
关联度
功率匹配度阀后压力
影响因素
流量匹配度扬程匹配度有功功率功率因数介质密度流量
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
功率匹配度流量匹配度扬程匹配度介质密度
影响因素
关联度
0.8341 0.7781 0.7730 0.7694 0.7623 0.7606 0.7024 0.6903
功率因数阀后压力流量有功功率
万方数据
石油石化节能
2018 年第7 期总第430 期
44
从表2 中可以看出，3# 输油泵在功率、流量、扬程
这3 个方面匹配度均优于1# 输油泵和2# 输油泵，更接近
于额定值，这与灰色关联法计算出结果相一致。
采油二厂岔北联合站2# 外输泵机组的额定流量为
25m3/h，根据《油田生产系统节能监测规范》（GB/T
31453—2015），其机组效率合格值为30%，节能评价值
为34%，在此次监测中，其运行效率只有12.35%，单
耗为0.63kWh/m3 为本年度监测的104 台外输泵中的最低
效率值，鉴于以上的分析，将功率匹配度、流量匹配度、
扬程匹配度做为主要调整参数，其功率匹配度只有0.17，
泵的阀后压力（扬程）、流量匹配度分别为：0.20、0.32。
根据“灰色关联法”分析结果，建议对岔北站2# 外输泵
进行节能改造采取以下优化措施：
（1）将DYT25-50×3 三级离心泵拆级改造为单级
离心泵，额定扬程从150m 降为50m，泵的阀后压力（扬
程）匹配度从0.20 提高到0.80。
（2）采用车削叶轮的方法减小叶轮的尺寸，通过计
算输油泵的比转速，确定最大削割量为9%，流量匹配
度从0.32 提升至0.36。
（3）减小电动机的容量，将30kW 电动机更换为
11kW，功率匹配度从0.17 提升到0.28。经过优化改造，
该泵机组运行效率达到31.5%，单耗降为0.38kWh/m3，
达到了节能限定值要求，节能效果明显。可见根据实际
生产工况选用相匹配的输油泵是确保泵机组高效运行的
有效保障。
4 结语
基于2017 年华北油田公司输油泵节能监测的数据，
通过线性拟合分析和灰色关联法对输油泵机组效率和单
耗进行的研究，通过应用实例分析，对输油泵的工作状
态进行了评价，从而得出以下结论：
（1）通过线性拟合分析发现输油泵单耗和机组效率
呈现负相关，即提高机组效率的同时，单耗也会随之降
低；机组效率与阀后压力、功率因数、介质流量呈现正
相关并且线性关系较好；输油泵单耗与阀后压力为正相
关，与实际流量为负相关，并呈现的线性关系较好。
（2）利用灰色关联法研究发现，与输油泵机组效率
关联度最高的功率匹配度，其次是泵阀后压力、流量匹
配度和扬程匹配度；与输油泵单耗关联度最高的是功率
匹配度，其次是流量匹配度、扬程匹配度。
（3）在离心泵选型时，功率匹配度、流量匹配度、
扬程匹配度作为主要参数，针对不同工况下离心泵的功
率、扬程及流量不宜考虑过多富余，尽量控制在铭牌标
注的范围内，使实际运行值更接近于额定值，保证泵在
最高效率点运转，获得最大节能效果。
（4）输油泵敏感性研究在节能监测大量数据的支撑
下，建立了单因素分析和灰色关联度数学分析模型，有
效挖掘输油泵节能潜力，并为输油泵机组的节能改造提
供了有力的理论依据，以此来调整生产运行参数，从而
实现输油生产过程中的机组优化，达到最佳的节能降耗、
提质增效的目的，使节能监测技术与节能技改结合有了
更广泛的意义。
参考文献
[1] 彭建，史威，刘洋，等. 集输系统中输油泵效率挖掘应用
研究[J]. 石油工程技术，2015，（12）：56-64.

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