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1、华中科技大学硕士学位论文基于混合遗传算法的油田注水泵站优化控制姓名：邵旻申请学位级别：硕士专业：系统分析与集成指导教师：王乘20060401I摘 要 摘 要 油田注水是我国油田开发中一种十分重要的开采方式。本文在分析了国内油田注水系统现状的基础上，针对文南油田注水系统能耗大、水压波动严重的问题，提出了一种基于混合遗传算法的注水泵站优化控制方案。 依据该方案， 从工业实际应用出发，进行了优化算法设计和优化控制软件的开发。 本文结合注水泵性能特性和工程实际要求，以变频调速往复式水泵和多级离心式水泵组成的注水泵站为研究对象，分析其注水效率优化问题，包括最优控制数学模型的建立、约束条件的确定、求解算法
2、的选择和设计、软件实现和结果分析等。泵站的效率涉及了多种因素，是一个复杂的多元非线性函数，优化策略的研究比较困难。文中应用最小二乘曲线法和 BP 神经网络算法拟合泵组性能特性曲线，采用实数编码的混合遗传算法进行数值优化计算，由此建立和求解泵站最大注水效率的数学模型。 最后，作者介绍了整个优化系统软件的研制，包括软件的开发环境和主要功能模块的设计，并应用该软件进行了实例计算和结果分析，实验结果验证了优化软件的实用性和优化算法的正确性、可靠性。 关键词：关键词：油田注水泵站 节能 优化控制 注水效率 最小二乘曲线拟合 混合遗传算法 IIAbstract Water-flooding is an i
3、mportant way to oil exploitation used by many oil-fields in our country. After analyzing the actuality of the water-flooding system in oil-fields，this paper proposed an optimization control scheme of water injection pumping station based on Hybrid Genetic Algorithm to solve the problem that the huge
4、 power consumption and serious pressure fluctuation in Wennan Oil-field water-flooding system. According to this scheme, the thesis designed the optimization solution algorithm and developed software on the basis of practical application. Combining the pumps characteristic and the projects real requ
5、irements, this thesis made research of the water-flooding efficiency optimization，targeting the water injection pumping station which is composed of centrifugal pumps and frequency converter driving reciprocating pumps, and aimed at its modeling, restricted terms establishment, solution algorithm ch
6、oice and design, software development and result analysis. The efficiency of the pumping station is a complex and multi-variable function, involving many elements which lead to great difficulty in strategy research of efficiency optimization. In the thesis, the author used Least Squares Curve-fittin
7、g and BP Neural Network algorithm to get the pumps characteristics, and chose real-coded hybrid genetic algorithm to solve the optimization problem. In the end of the thesis, the author introduced the whole optimization system software, including its developing environment and main function blocks.
8、In addition, to test the validity of the software and the optimization algorithm, the software was used to simulate with some practical test data. The results proved its validity. Key Words: oil-field water injection pumping station, energy saving, optimization control, efficiency of water injection
9、, Least Squares Curve-fitting, Hybrid Genetic Algorithm II独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论
10、文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 11 绪论绪论 1.1 课题相关背景 课题相关背景 1.1.1 油田注水系统现状油田注水系统现状 油田注水是采油生产过程中最重要的工作之一，注水的目的是发挥注水驱替和补充地层能量的双重作用，提高原油采收率，确保油田稳产高产。目前，由于国内大多数油田已经进入中高含水期开
11、发阶段， 每天要向地下注入大量的水， 消耗大量的电能，使得注水成为油田的能耗大户。并且，目前国内油田的注水系统普遍存在效率低、能耗高、干网压力波动大、能源浪费严重的问题。据统计，注水耗电一般占油田总用电的 33%56%，而无效注水能耗在有些油田甚至超过 50%1。 以中原油田2 3为例： 中原油田现有八个采油厂，目前共有注水井 1634 口，注水支干线长 245km，井口注水管线长 800km；已建大型注水泵站 11 座，小型增注站 72 座，离心泵 48 台，注塞泵 335 台；注水泵装机总容量为 105044kw。油田年注水量341034.3829m，年耗电量kwh41032885，注水单
12、耗3/59. 8mkwh。注水泵效率68，注水管网效率58，地面注水系统平均效率37.5，系统能量损失高达62.5，能量浪费相当严重。 在我国， 注水泵4运行泵效平均为72.1， 国内先进值为78.09， 国外为8085； 国内注水单耗平均为6.943/mkwh， 先进值为6.453/mkwh， 国外为5.66.03/mkwh；国内平均注水效率为47.8，国外注水效率一般在65以上5。 以上数据可以看出，我国油田注水系统效率同国外相比，仍有很大差距，亟待改进和提高。 21.1.2 油田注水系统简介及其能耗分析油田注水系统简介及其能耗分析 油田注水系统由若干子系统组成，包括水源和供水系统、水处理
13、系统、地面注水系统、注水井井下工艺系统等，每个子系统又包括若干环节。注水系统中的各个环节由管道连接在一起，形成一个连续、密闭的水力系统。 地面注水系统主要由注水泵站（包括电机、注水泵、泵出口调节阀） 、注水管网、配水间及注水井等构成， 除了注入地层的有效能量外， 注水系统能量主要消耗在电机、注水泵、泵出口调节阀、注水管网、井口及井筒各处。其中，注水泵站能耗占整个注水系统总能耗的70%80%6。 经分析，注水系统能耗大主要有以下几个原因： （1）不同时期，由于油田开发配注量的调整，日常开井数的增减变化，洗井、供水不足等因素的影响，使得注水系统的注水量波动较大。为适应外界所需注水量的变化，需调整注
14、水泵的运行方式。在没有采用变频调速技术和优化控制技术的情况下，只能通过操作人员的经验调整开泵方案和调节阀门来控制流量，导致注水泵与注水管网之间的匹配不合理，产生较大的泵管压差，造成大量节流损失，并降低了注水泵的运行效率。 尤其是注水工况的频繁变化会引起干网压力波动， 若不能及时发现和调节，就会造成超注、欠注情况的发生。 （2）注水系统泵型单一，泵的排量和实际所需注水量的匹配效果差，导致注水泵的实际运行效率远低于泵的额定效率。 （3） 目前注水泵的运行方案主要是根据操作人员的日常管理经验来确定的， 受各种因素的影响，很难保证实现最优的开泵方案和各泵的最佳运行。 （4）老型号注水泵磨损严重，泵效偏
15、低。 1.1.3 油田注水泵站优化控制研究的目的及意义油田注水泵站优化控制研究的目的及意义 随着能源的紧张和行业竞争的日趋激烈，以降低成本，提高质量，满足工业生产要求为目的的最优控制技术，日益得到各行业的高度重视。同时，计算机技术和网络通讯技术的飞速发展，促进了先进的优化控制理论和方法在实际生产中的应用。计算3机仿真技术、数据库技术、网络通讯技术等众多新技术和新理论，以及运筹学、最优化技术等传统学科的不断发展，为实现生产过程的优化控制提供了强有力的工具，极大地丰富了最优控制学科的内涵与功能。 油田注水系统的运行，应满足随着时间和环境的变化，注水系统的运行参数也随之变化，达到实际的客观需要。油田
16、注水系统的最优控制，应在满足配注要求的前提下，正确分析油田注水系统的运行效率，对油田地面注水系统实行最优控制。 由前一节油田注水系统能耗分析可知，在实际运行过程中，注水系统的运行参数经常偏离生产实际需求或机械设备的额定值，从而造成大量的人力物力资源的浪费。因此，从油田长远发展的角度来看，优化注水系统运行参数，对注水系统运行参数进行优化，降低注水系统能耗，提高注水系统运行效率，是我国油田原油生产中一个十分重要的课题。 作为本课题来源的文二联高压注水泵站，担负着中国石化中原油气高新股份有限公司采油四厂的注水任务。为了节能降耗，公司对原有的注水泵站进行改造。一方面是硬件设备的更新，即淘汰原有的磨损严重、泵效低的两台多级离心泵，代之以泵效高、配以变频调速装置的大排量往复泵；另一方面是软件的研发，开发注水泵站优化控制和远程监控软件，实现注水泵站运行的自动化。优化控制部分要求实现在满足外界配注需求的
