油田注水設(shè)備的優(yōu)選

許文龍 王寶月 吳水柱 崔兵兵(中國石油天然氣管道工程有限公司天津?yàn)I海分公司 天津 300280)

油田常用的注水升壓設(shè)備有2種，柱塞泵和離心泵。以下就排量、排出壓力、效率等性能參數(shù)及維修、維護(hù)、設(shè)備價格等方面對這兩種泵進(jìn)行對比。

一、離心泵

離心泵的性能范圍很廣。油田注水采用的離心泵均為多級離心泵，其揚(yáng)程在1500m～2500m之間，最高可達(dá)3000m。排量一般較大，從40m3/h～500 m3/h。軸功率從幾百到數(shù)千千瓦，所以一般采用高壓電機(jī)拖動。

離心泵在設(shè)計(jì)時，其效率可根據(jù)計(jì)算確定，依其排量和比轉(zhuǎn)數(shù)，效率范圍從36～90%。高揚(yáng)程、排量不高的泵效率一般不是很高。泵內(nèi)的損失分為機(jī)械損失、容積損失和水力損失，與之相應(yīng)泵的效率分為機(jī)械效率、容積效率和水力效率，三種損失之和為泵的總損失，三種效率之積為泵的總效率。

機(jī)械效率基本受比轉(zhuǎn)數(shù)控制，機(jī)械效率ηm與比轉(zhuǎn)數(shù)ns的關(guān)系如下：

根據(jù)上式估算泵的機(jī)械效率見表1。

表1 ηm與ns關(guān)系數(shù)據(jù)表

容積效率ηv受控于泵的泄漏量q，對于分段式多級泵，容積效率表示如下：

式中：

q：密封環(huán)處泄漏量

q1：軸向力平衡機(jī)構(gòu)處泄漏量

Q：泵的排量

水力效率ηh通常只能用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。其值與泵的比轉(zhuǎn)數(shù)關(guān)系不大，而與泵的大小有關(guān)，可用下式估算：

單級離心泵、混流泵和軸流泵可達(dá)到的效率范圍與比轉(zhuǎn)數(shù)及流量的關(guān)系（圖1）

式中：

Q：泵的設(shè)計(jì)排量(m3/s)

n：泵的轉(zhuǎn)速(r/min)

泵的總效率為上述三種效率之積。圖1給出了單機(jī)離心泵、混流泵和軸流泵與比轉(zhuǎn)數(shù)和排量的關(guān)系。

由上圖可見，離心泵的效率范圍從36%～90%。同一排量的泵，比轉(zhuǎn)數(shù)ns大約在160時，泵的效率最高。以注入量70L/s，注水系統(tǒng)壓力20MPa為例，若運(yùn)轉(zhuǎn)1臺泵，選擇單級揚(yáng)程159m的13級離心泵，其比轉(zhuǎn)數(shù)經(jīng)計(jì)算為64，查上圖可得知其效率為76%，軸功率計(jì)算為1889k W，電功率為2099k W。若運(yùn)轉(zhuǎn)2臺泵，則比轉(zhuǎn)數(shù)為45，效率下降到68%。軸功率為2111 k W，電功率為2345 k W。由上述方法得到的效率為這一性能離心泵效率的上限，略高于設(shè)備說明書的標(biāo)定效率。離心泵與原動機(jī)一般采用鍵連接傳動，傳動效率為100%。所以上述效率既為泵的總效率。

泵的排量需進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以通過調(diào)節(jié)閥、回流和調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。用回流調(diào)節(jié)將造成大量的能量浪費(fèi)，一般不宜采用。通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)（泵恒轉(zhuǎn)速）與變頻調(diào)速的運(yùn)行參數(shù)對照見表2。

表2 泵恒轉(zhuǎn)速與變頻調(diào)速運(yùn)行參數(shù)對照表

表2中電機(jī)效率按90%計(jì)算。由上表可見，增加變頻調(diào)速之后，節(jié)電百分率從3.2%～6.8%，按注水量勻速遞減考慮，平均節(jié)電百分率為5.64%。按電機(jī)平均運(yùn)行功率1800k W計(jì)算，年平均節(jié)電89萬度。曾加變頻調(diào)速的工程費(fèi)用約330萬元（其中變頻器和變頻用變壓器設(shè)備費(fèi)300萬元，配專用變頻電機(jī)設(shè)備增加費(fèi)20萬元，施工費(fèi)10萬元），按電費(fèi)0.5元/度計(jì)算，投資回收期為7.2年，內(nèi)部收益率5%，財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值-341.37萬元，經(jīng)濟(jì)上不可行。經(jīng)計(jì)算電費(fèi)高于0.62元/度時，經(jīng)濟(jì)上可行。變頻調(diào)速投資較大，節(jié)電效果不是很明顯，不推薦采用，用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量即可滿足生產(chǎn)需要。

二、柱塞泵

柱塞泵是容積式泵，其性能特點(diǎn)是在設(shè)計(jì)工況范圍內(nèi)排量與排出壓力無關(guān)，為一常數(shù)。一般適用于輸送高粘度、大比重的液體，排出壓力較高而排量相對不大。排出壓力為20MPa時排量一般不大于30m3/h，排出壓力25MPa時排量一般不大于24m3/h。軸功率一般不超過200k W，采用低壓電機(jī)拖動。

近年來，開始出現(xiàn)大排量的高壓柱塞泵，重慶水泵廠生產(chǎn)的3D9-105/22型柱塞泵，額定排出壓力22MPa時，排量可達(dá)105 m3/h。其軸功率達(dá)到750k W以上，采用高壓電機(jī)拖動。大港油田中成機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的最大型的柱塞泵，額定排出壓力20.7MPa時，額定排量為42 m3/h，配低壓電機(jī)功率為315k W。

柱塞泵在設(shè)計(jì)時，其效率用計(jì)算方法很難確定，只能用試驗(yàn)方法確定。傳動方式有皮帶傳動和鍵連接傳動兩種。電動泵的效率范圍是η=60%～90%。用于油田注水的柱塞泵效率一般較高，計(jì)算傳動損失在內(nèi)的泵效可達(dá)80%甚至85%以上。大港油田中成機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的柱塞式注水泵采用皮帶傳動，效率均在85%以上，重慶水泵廠生產(chǎn)的柱塞式注水泵采用鍵連接傳動，效率最高達(dá)89%。

柱塞泵的排量調(diào)節(jié)方法有2種，一種是通過回流調(diào)節(jié)，另一種是通過變頻調(diào)節(jié)。

柱塞泵的設(shè)備價格，重慶水泵廠生產(chǎn)的3D9-83/22型三柱塞泵，額定排出壓力22MPa，額定排量83 m3/h，配高壓電機(jī)功率630k W，設(shè)備報價80萬元。大港油田中成機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的5ZB-20/43型五柱塞泵報價45萬元。根據(jù)牛圈湖油田的注水量及其變化特點(diǎn)，選用排量相對較小的5ZB-20/43型五柱塞泵，對注水量變化適應(yīng)性較強(qiáng)，其所配低壓電機(jī)便于變頻調(diào)速。

三、兩種泵型的比較

柱塞泵與離心泵相比，運(yùn)行效率至少高10個百分點(diǎn)，年節(jié)電量近15%。以注入量70L/s，注水系統(tǒng)壓力20MPa為例進(jìn)行比較，結(jié)果見表3。

表3 運(yùn)行離心泵與柱塞泵耗電量對照表

運(yùn)行柱塞泵，泵效高，單臺排量較小，使用比較靈活，可選擇1～2臺變頻運(yùn)行，變頻設(shè)備投資不高，節(jié)能效果較好，便于控制。但設(shè)備數(shù)量多，需廠房面積較大，易損件較多，維修工作量較大。

運(yùn)轉(zhuǎn)離心泵，設(shè)備數(shù)量少，維修工作量小。但由于單臺設(shè)備較大，排量調(diào)節(jié)不是很靈活，電機(jī)變頻設(shè)備投資較大，不經(jīng)濟(jì)。

通過上述分析比較，可得出油田注水設(shè)備的選擇原則：對建設(shè)用地限制不嚴(yán)時，應(yīng)盡量優(yōu)選柱塞泵，而當(dāng)對建設(shè)用地嚴(yán)格限制時（如海上平臺），應(yīng)優(yōu)選離心泵。