油田注水泵節(jié)能降耗研究

　　注水采油是油田提高原油采收率的主要方法,，注水可彌補(bǔ)原油采出后所造成的地下虧空，保持合理的地層壓力,。注水泵是油田注水系統(tǒng)中的重要設(shè)備,，是油田注水生產(chǎn)系統(tǒng)的動(dòng)力之源,。A廠油田開發(fā)生產(chǎn)已進(jìn)入中、后期,，注水量和注水壓力持續(xù)上升,，采出水回注量持續(xù)增加，造成原有注水泵維修頻次高,、泵效低,、能耗高。面對(duì)油價(jià)持續(xù)低迷,、生產(chǎn)成本大幅削減嚴(yán)重形勢(shì),，A廠積極引進(jìn)并應(yīng)用注水泵節(jié)能降耗技術(shù)，優(yōu)化注水泵運(yùn)行參數(shù),，不僅有效提高了注水泵機(jī)組效率,，全面提升了注水生產(chǎn)系統(tǒng)效率，大幅度降低注水系統(tǒng)用電能耗,，對(duì)油田原油生產(chǎn)“有質(zhì)量,、有效益、可持續(xù)”發(fā)展具有重要意義,。

　　1A廠注水泵運(yùn)行現(xiàn)狀

　　A廠共有注水井2389口,，開井2190口，日注水量65887m3,，2016年注水量達(dá)到2267萬(wàn)m3,，現(xiàn)有注水站78座，在用注水泵撬295臺(tái)（套）,，其中污水注水泵134臺(tái),，清水注水泵161臺(tái)，電機(jī)總?cè)萘?.4萬(wàn)kW,，注水單耗6.8kW?h/m3,，其中注水系統(tǒng)用電量約占總用電量的30%（圖1）。注水泵能耗損失較高的主要原因有4個(gè)方面,，一是采出水對(duì)注水泵液力端泵閥腐蝕嚴(yán)重,，造成原設(shè)計(jì)為清水的注水泵液力端維修頻次高、泵效低,；二是注水泵和站點(diǎn)注水量不匹配,，使高壓水打回流，造成電能浪費(fèi),；三是站點(diǎn)配注量變化后,，注水泵的運(yùn)行方式?jīng)]有及時(shí)結(jié)合配注量進(jìn)行調(diào)整，無(wú)法使注水泵好的狀態(tài)下運(yùn)行,。四是注水泵電機(jī)不符合《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》（GB18613—2012）要求,，電機(jī)自身能耗較高,。

　　2注水泵節(jié)能降耗技術(shù)

　　2.1主要應(yīng)用的技術(shù)2.1.1節(jié)能高效注水泵的應(yīng)用由于注采出水過程中受水質(zhì)腐蝕、含顆粒物等因素影響,，造成注水泵液力端配件機(jī)械磨損嚴(yán)重,、維修頻繁，排量下降,、泵機(jī)組效率低于節(jié)能監(jiān)測(cè)限定值,，普通分體式閥組無(wú)法適應(yīng)注采出水要求，出現(xiàn)液力端主要配件使用壽命不足120h,，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壽命720h的要求,。A廠通過研究并引進(jìn)節(jié)能液力端，該液力端采用T字形結(jié)構(gòu)液力端結(jié)構(gòu),，T形孔較十字孔能大幅度緩解工作腔內(nèi)倒角及其附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象；螺旋導(dǎo)向復(fù)合密封錐形組合閥組,，金屬閥板錐面上結(jié)合非金屬密封材料,，改善了密封性能；閥芯導(dǎo)向翼從直線型過渡到帶一定角度型,，可使閥芯在上下運(yùn)動(dòng)時(shí)360°稍有轉(zhuǎn)動(dòng),，使閥結(jié)合面均勻磨損，自行修復(fù),，提高閥的壽命（圖2）,；柱塞自動(dòng)調(diào)心技術(shù)、柱塞填料密封同步隔離技術(shù),、蓄能器的改進(jìn),、改性密封組件等技術(shù)，延長(zhǎng)液力端主要配件使用壽命達(dá)到2800h以上,，有效提高了注水泵泵效,，降低了注水泵液力端維修頻次（圖3）。注水泵液力端改造前的機(jī)組效率測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果（略）,。截止2017年先后改造65臺(tái)注水泵機(jī)組,，經(jīng)長(zhǎng)慶技術(shù)監(jiān)測(cè)中心（依據(jù)SY/T6275—2007《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范》）對(duì)柳三轉(zhuǎn)等24臺(tái)注水泵進(jìn)行改造前后能耗監(jiān)測(cè)，對(duì)比24臺(tái)注水泵監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,，改造前注水泵平均機(jī)組效率72.28%,，改造后注水泵平均機(jī)組效率80.55%，項(xiàng)目改造使注水泵機(jī)組效率平均提高8.27%,。以機(jī)組效率和耗電量計(jì)算節(jié)能量,，合計(jì)節(jié)電量為248.91×104kW?h/a，折算綜合節(jié)能量為831.36tce/a,。表1,、表2為長(zhǎng)慶油田環(huán)境與節(jié)能監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中心的注水泵改造前后節(jié)能監(jiān)測(cè)報(bào)告數(shù)據(jù)對(duì)比情況,。注水泵液力端改造后的機(jī)組效率測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果（略），注水泵液力端改造節(jié)能量計(jì)算表（略）,。2.1.2高耗能注水泵電機(jī)更換高效電機(jī)是指達(dá)到或優(yōu)于《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》（GB18613—2012）標(biāo)準(zhǔn)中節(jié)能評(píng)價(jià)值的電機(jī),。高效電機(jī)通過降低電機(jī)定子繞組電阻損失、電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組電阻損失,、電機(jī)鐵耗損失,、電機(jī)雜散損失、電機(jī)摩擦損失及流動(dòng)損失,，提高電機(jī)效率,。我國(guó)目前廣泛應(yīng)用的Y系列電機(jī)效率平均值為87.3％；高效電機(jī)的效率平均值為90.3％,，超高效電機(jī)其效率平均值為91.7％,。A廠2017年通過對(duì)91臺(tái)Y系列注水泵電機(jī)（總功率為19590kW）更換為2級(jí)的高效節(jié)能電機(jī)后，有效提高了注水泵電機(jī)效率,。改造后電機(jī)效率提高3%,，按照平均負(fù)載率80%，利用率0.7計(jì)算,，每年可節(jié)電288.3萬(wàn)kW?h,，節(jié)省電費(fèi)184.52萬(wàn)元人民幣（圖4）。2.1.3注水自動(dòng)穩(wěn)壓系統(tǒng)應(yīng)用截止到目前A廠已實(shí)現(xiàn)110臺(tái)注水泵壓力自動(dòng)調(diào)節(jié),，該系統(tǒng)具備了較高的可靠性和穩(wěn)定性,，安裝后可實(shí)現(xiàn)完全關(guān)閉回流注水，通過自動(dòng)穩(wěn)壓系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)注水壓力,，大幅度減少注水機(jī)泵和閥門的維修費(fèi)用,，減輕人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到提高注水系統(tǒng)效率和節(jié)能降耗的目的,。2.1.4局部增壓技術(shù)應(yīng)用對(duì)于個(gè)別井注水壓力高的情況采用局部安裝注水撬或增壓泵,，不需要注水系統(tǒng)整體升壓改造，可以降低投資,，達(dá)到節(jié)能降耗的目的,。A廠自2008年開始在塞392區(qū)產(chǎn)建使用第一臺(tái)注水撬，經(jīng)過8a的試點(diǎn),、推廣,，目前已在全廠13個(gè)作業(yè)區(qū)推廣使用不同型號(hào)的各種注水撬60臺(tái)。2.2優(yōu)化注水泵運(yùn)行參數(shù)由于注水泵現(xiàn)場(chǎng)配注量的調(diào)整,，以及注水泵安裝后參數(shù)通過變頻器（控制柜）調(diào)節(jié)范圍小,，往往造成注水泵設(shè)備無(wú)法在好的綜合效率下運(yùn)行。因此，在生產(chǎn)運(yùn)行過程中需要對(duì)注水泵的參數(shù)結(jié)合每個(gè)站點(diǎn)的配注量和注水壓力,、以及注水泵本身的負(fù)荷情況進(jìn)行優(yōu)化,，實(shí)現(xiàn)注水泵在節(jié)能、高效狀態(tài)下運(yùn)行,。注水泵參數(shù)優(yōu)化改造,，依據(jù)注水泵理論排量=3.14×直徑2/4×沖程×沖次×缸數(shù)×60；注水泵電機(jī)功率=排量×壓力0.287×1.25,；窄V帶小皮帶輪下限有效直徑9N/9J≥67mm,，15N/15J≥180mm，25N/25J≥315mm,；功率和轉(zhuǎn)速關(guān)系P1/P2=（n1/n2）22.2.1改變注水泵缸數(shù)調(diào)節(jié)注水泵排量改造前,，大水坑鹽一轉(zhuǎn)注水泵型號(hào)5ZB400-35/25A，額定排量35m3/h,，額定壓力25MPa,，配注量14m3/h，泵出口壓力21MPa,，配套有變頻器并安裝有自動(dòng)穩(wěn)壓系統(tǒng),。關(guān)閉回流情況下，變頻器運(yùn)行頻率為20Hz,，運(yùn)行過程頻繁因變頻器輸出電流過高（超過550A）自動(dòng)保護(hù)停機(jī)，電機(jī)運(yùn)行頻率過低容易造成電機(jī)散熱差燒壞電機(jī),，頻率較低造成注水泵動(dòng)力端轉(zhuǎn)速較低（轉(zhuǎn)速為91.6r/min）影響動(dòng)力端正常潤(rùn)滑,，進(jìn)而嚴(yán)重影響注水泵正常運(yùn)行。采取抽掉2根柱塞,，注水泵由原來的5缸泵改為3缸泵的改造方案,。改造后運(yùn)行頻率45Hz，變頻器輸出電流350A,，運(yùn)行正常,。改造后，降低了注水泵額定排量,，提高電機(jī)轉(zhuǎn)速,，確保注水泵動(dòng)力端合理潤(rùn)滑。相比降低柱塞直徑,，改造成本較低,，且排量調(diào)節(jié)范圍大。預(yù)計(jì)年節(jié)電量40萬(wàn)kW?h,。2.2.2注水泵沖次“大改小”（1）皮帶輪調(diào)節(jié)沖次,。改造前，胡尖山元二增注水泵型號(hào)3175Pa-B3,，額定排量16.6m3/h,，額定壓力20MPa,，沖次228次，電機(jī)功率110kW,，電機(jī)型號(hào)YB2-315L1-6,，配注量7m?/h，實(shí)際注水壓力15MPa,，運(yùn)行電流140A,，使用回流控制排量（未配套變頻器，通過控制柜啟動(dòng)）,。采用更換1個(gè)132次（直徑170mm）的小皮帶輪的改造方案,。改造后運(yùn)行電流97A，預(yù)計(jì)年節(jié)電8萬(wàn)kW?h,，節(jié)省修理費(fèi)0.5萬(wàn)元人民幣,。改造后，降低了注水泵額定排量,，提高注水泵泵效,，注水泵的整體負(fù)荷降低。相比降低柱塞直徑,，改造成本較低,，可操作性較高。（2）更換電機(jī),、改變電機(jī)級(jí)數(shù)調(diào)節(jié)沖次,。改造前，胡尖山作業(yè)區(qū)原162站注水泵型號(hào)3175Pb-A7,，額定排量25m3/h,，額定壓力20MPa，柱塞直徑55mm,，沖次325次,，電機(jī)功率160kW，電機(jī)型號(hào)Y315L-4,。配注量13m3/h,，變頻器頻率36Hz，注水壓力19MPa,，使用回流控制排量,。存在使用變頻器，同時(shí)還要開回流,，因壓力高頻率過低時(shí),，變頻器超載自動(dòng)保護(hù)停機(jī)等問題。改造后，更換1臺(tái)6極160kW電機(jī),，額定轉(zhuǎn)數(shù)降低33%（由1485r/min降低到985r/min）,，變頻器的頻率提高12Hz，同時(shí)對(duì)變頻器加裝PID自動(dòng)穩(wěn)壓系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒壓注水,，完全關(guān)閉回流。臺(tái)泵預(yù)計(jì)年節(jié)電10萬(wàn)kW?h,，節(jié)省修理費(fèi)0.5萬(wàn)元人民幣（圖5）,。2.3注水泵沖次“小改大”改造前，五里灣一區(qū)南二注3臺(tái)注水泵型號(hào)5ST175-37.4/25,，排量37.4m3/h,，壓力25MPa，沖次230次,，電機(jī)功率315kW,，電機(jī)型號(hào)YFBP4002-6。配注量76m3/h,，注水壓力（18～19）MPa,，啟用3臺(tái)注水泵運(yùn)行（1#頻率50Hz，2#頻率33Hz,，3#頻率33Hz）,。由于2臺(tái)注水泵無(wú)法達(dá)到配注要求，且注水壓力較低,，電機(jī)負(fù)荷余量大,，更換注水泵電機(jī)皮帶輪，調(diào)整注水量為42m3/h的注水泵,，沖次由230次調(diào)高到257次。對(duì)2#和3#注水泵變頻器50Hz的上限頻率進(jìn)行解鎖,，實(shí)現(xiàn)變頻器頻率最高上限達(dá)到60Hz,。改造后，由原來啟用3臺(tái)注水泵改為啟用2臺(tái)注水泵,，2臺(tái)注水泵的運(yùn)行頻率均為54Hz,，同時(shí)安裝PID自動(dòng)穩(wěn)壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)完全關(guān)閉回流自動(dòng)恒壓注水,。改造后總耗電量（改造前3臺(tái)注水泵電流分別為1#泵400A,，2#泵370A，3#泵370A,。改造后2臺(tái)注水泵電流均為440A）降低260A,，預(yù)計(jì)年節(jié)省電費(fèi)53萬(wàn)元人民幣。通過改造停用1臺(tái)注水泵，節(jié)省修理費(fèi)預(yù)計(jì)2萬(wàn)元人民幣,。

　　3結(jié)論及認(rèn)識(shí)

　　通過研究并引進(jìn)應(yīng)用先進(jìn)注水泵液力端技術(shù),，延長(zhǎng)液力端主要配件使用壽命達(dá)到2800h以上，對(duì)比24臺(tái)注水泵監(jiān)測(cè)結(jié)果注水泵機(jī)組效率平均提高8.27%,。更換注水泵高效電機(jī),，實(shí)現(xiàn)注水泵電機(jī)效率提高3%；加裝注水自動(dòng)穩(wěn)壓系統(tǒng),，通過自動(dòng)穩(wěn)壓系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)注水壓力,，實(shí)現(xiàn)完全關(guān)閉回流注水。結(jié)合各個(gè)注水站點(diǎn)的實(shí)際情況,，選擇注水泵技改方案對(duì)注水泵進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化改造,，使注水泵在節(jié)能、高效狀態(tài)下平穩(wěn)運(yùn)行,。通過注水泵節(jié)能改造,，大大延長(zhǎng)注水泵無(wú)故障運(yùn)行周期，同時(shí)通過自動(dòng)穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的應(yīng)用,，減少操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,，為后期無(wú)人值守注水站提供硬件支撐。目前A廠部分站點(diǎn)注水泵可實(shí)現(xiàn)無(wú)人監(jiān)控運(yùn)行+定期保養(yǎng)模式,，站點(diǎn)操作人員日常僅通過SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition,，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）系統(tǒng)對(duì)單井配水情況進(jìn)行調(diào)節(jié)即可，注水泵運(yùn)行效率大大提高,，注水泵房運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)降低,。