基于TRIZ理論的降低離心泵單耗的研究

文/大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠 李琪彤黑龍江省技術(shù)創(chuàng)新方法研究會(huì) 張穎 吳永志

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基于TRIZ理論的降低離心泵單耗的研究

文/大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠 李琪彤
黑龍江省技術(shù)創(chuàng)新方法研究會(huì) 張穎 吳永志

摘要：對(duì)油田注水系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查和分析，注水系統(tǒng)是油田耗電大戶,注水單耗是衡量注水系統(tǒng)能耗重要指標(biāo),部分注水電機(jī)注水單耗偏高,注水系統(tǒng)效率偏低，該文通過(guò)分析，有針對(duì)性地提出降低注水單耗的技術(shù)和管理措施，對(duì)降低注水系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)效率有積極的意義。

關(guān)鍵詞：注水系統(tǒng)；單耗；效率；降低

油田開(kāi)發(fā)后期，注水開(kāi)發(fā)在油田生產(chǎn)中起決定性作用，高壓離心泵（多級(jí)離心泵P＞4.0MPa）主要用于油田注水，為油田注水提供注水壓力。然而注水泵在油田耗電設(shè)備中耗電量所占比例過(guò)大， 具有較大節(jié)能潛力。在技術(shù)革新、更新的形勢(shì)下，要求我們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)中，注重科學(xué)管理，實(shí)施技能改造，以降低注水泵單耗為目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)降本增效的目的。

1 發(fā)明問(wèn)題初始形勢(shì)分析

1.1當(dāng)前系統(tǒng)的功能及組成：當(dāng)前注水系統(tǒng)主要由污水來(lái)水、管道、儲(chǔ)水罐、高壓注水泵、注水管網(wǎng)組成。

1.2當(dāng)前系統(tǒng)的工作原理（配圖）：靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪，帶動(dòng)液體高速旋轉(zhuǎn)，又利用離心力的原理將液體甩出，從而實(shí)現(xiàn)輸送液體的目的。

1.3存在的主要問(wèn)題：

①泵管壓差大。泵壓與注水管線壓力之間存在較大壓差，泵管壓差大，必須靠控制出口閥門(mén)來(lái)保證注水管網(wǎng)的注水壓力，這樣既造成大量的電能被白白消耗，同時(shí)又由于泵壓較高，對(duì)機(jī)泵的運(yùn)行影響較大。

②泵效低。泵效和單耗是相互聯(lián)系的，產(chǎn)生同樣流量和揚(yáng)程，泵效低消耗的能源越大，相反，泵效高能量損失小。由離心泵的性能特性曲線η—Q可知，隨著泵排量的增加泵效逐漸上升，當(dāng)上升到最高點(diǎn)后隨著排量的增加泵效隨之降低。泵效達(dá)到的最高點(diǎn)稱為最佳工況點(diǎn)，這一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程、泵效、排量、軸功率等參數(shù)稱之為最優(yōu)參數(shù)。但是注水量波動(dòng)較大，人為控制很難找到工況點(diǎn)。

③泵壓的影響。單耗雖然由耗電量除以注水量得出，但由于泵站泵壓控制可直接影響注水泵的注水量和耗電量，因而也就影響了注水單耗的大小。無(wú)壓負(fù)荷的情況下，隨著泵壓的升高，單耗值是隨著上升的，泵壓越高，單耗增長(zhǎng)越大。壓負(fù)荷情況下，單泵單耗隨泵壓升高，也就是隨著壓負(fù)荷程度的加深單耗值上升越快，且大于不壓負(fù)荷時(shí)的上升速度。

④管線及泵內(nèi)部元件結(jié)垢腐蝕。由于所注水質(zhì)一般為普通污水，致使管線及泵內(nèi)部元件結(jié)垢腐蝕嚴(yán)重，造成葉輪腐蝕，出現(xiàn)砂眼、空洞，口環(huán)間隙過(guò)大等，泵進(jìn)口管線結(jié)垢腐蝕都影響注水效率。

1.4技術(shù)參數(shù)：

①注水單耗計(jì)算公式：

式中DH—注水單耗，kW·h/m3；

W—注水站電動(dòng)機(jī)耗電量，kW·h；

V—注水泵輸出水量，m3。

②離心泵性能特性曲線。

1.5問(wèn)題解決目標(biāo)：合理降低高壓注水泵實(shí)際過(guò)高的單耗。

1.6限制條件：

①生產(chǎn)管理制約。實(shí)際生產(chǎn)中，日注水量是一個(gè)波動(dòng)較大的參數(shù)，特別是高壓注水系統(tǒng)。注水井受生產(chǎn)管理者的制約，開(kāi)關(guān)現(xiàn)象頻繁，注水量晝夜變化較大。

圖1　離心泵系統(tǒng)的九屏圖

②生產(chǎn)成本制約。實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，生產(chǎn)改造成本有限，一些消耗成本較大的設(shè)備或者方案無(wú)法實(shí)行。

③工藝流程制約。原設(shè)備只能定速運(yùn)行，所以只能靠調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)注水量大小，調(diào)節(jié)方法較單一。

1.7詳細(xì)列出目前解決的方案或類(lèi)似產(chǎn)品的解決方案或已有專(zhuān)利，并分析存在問(wèn)題：

加裝集散控制系統(tǒng)。根據(jù)注水站工藝流程，在整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)置多項(xiàng)監(jiān)控點(diǎn)（溫度、壓力、流量、液位），并在這些測(cè)控點(diǎn)上安裝傳感器，將現(xiàn)場(chǎng)的物理變化量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送給控制中心（可編程控制器和工業(yè)計(jì)算機(jī)可編程技術(shù)和強(qiáng)大的組態(tài)軟件），對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)對(duì)注水泵出口閥門(mén)的開(kāi)閉度進(jìn)行無(wú)極同步調(diào)速，同時(shí)對(duì)參數(shù)的監(jiān)測(cè)、計(jì)算、優(yōu)化控制注水泵在高效區(qū)運(yùn)行。

存在的問(wèn)題：整個(gè)集散系統(tǒng)安裝下來(lái)耗費(fèi)成本高、技術(shù)難度大。

2 利用TRIZ工具分析問(wèn)題

2.1九屏圖（見(jiàn)圖1）

提出的技術(shù)方案：

方案1：加裝變頻器提高系統(tǒng)智能程度。

2.2因果鏈分析（見(jiàn)圖2）

確定解決問(wèn)題的關(guān)鍵問(wèn)題：見(jiàn)黃色部分。

提出技術(shù)方案：

方案1： 改善注水水質(zhì)。

方案2：在輸送及儲(chǔ)存介質(zhì)中加入緩蝕劑降低腐蝕程度。

方案3：潤(rùn)滑油中添加耐磨劑。

方案4：重新調(diào)整機(jī)泵同心度。

2.3資源分析（見(jiàn)表1）

提出技術(shù)方案：

方案1：加裝變頻器。

方案2：將固定泵房變成“可移動(dòng)”。

3 運(yùn)用TRIZ工具解決問(wèn)題

3.1最終理想解（見(jiàn)表2）

提出技術(shù)方案：

方案1： 加裝前置泵，采用變頻調(diào)速技術(shù)。

3.2技術(shù)矛盾

①原問(wèn)題技術(shù)矛盾的表述：（見(jiàn)圖3）

確定要解決的技術(shù)矛盾為 TC-1，它發(fā)生在（管線設(shè)備結(jié)垢現(xiàn)象會(huì)降低）與（冬季管線會(huì)凍堵）之間，發(fā)生在（輸送介質(zhì)溫度低）的時(shí)候。

圖2　因果鏈分析

表1　資源分析

表2　最終理想解

圖3　原問(wèn)題技術(shù)矛盾的表

②問(wèn)題模型—對(duì)應(yīng)的39個(gè)通用工程參數(shù)

改善的參數(shù)：30作用于物體的有害因素

惡化的參數(shù)：35適應(yīng)性

③解決方案模型

對(duì)應(yīng)查看阿奇舒勒矛盾矩陣表得到參考創(chuàng)新原理為：

35性能轉(zhuǎn)化法

11預(yù)制防范法

22變害為利法

31孔化法

提出技術(shù)方案：

方案1：定期在污水管線中加入無(wú)機(jī)磷酸鹽等油田常用防垢劑（性能轉(zhuǎn)化法）。

方案2：冬天在露天管線外部包裹防凍材料如毛氈（預(yù)制防范法）。

方案3：在管線中分段增加可清理小孔濾網(wǎng)夾層（孔化法）。

3.3物理矛盾

①確定物理矛盾：

（輸送介質(zhì)溫度）應(yīng)該（A+ 低），以滿足（管線設(shè)備結(jié)垢）要求；（輸送介質(zhì)溫度）應(yīng)該（A- 高），以滿足（冬季管線不會(huì)凍堵）要求。

②擬采用分離原理

空間分離：

提出技術(shù)方案：在管線露天部分增加電伴熱帶適當(dāng)調(diào)節(jié)溫度。

時(shí)間分離：

提出技術(shù)方案：冬天在露天管線外部包裹防凍材料如毛氈。

整體與部分分離：

提出技術(shù)方案：在管線內(nèi)外層中間加入隔熱良好的材料，內(nèi)部加入內(nèi)置式液體降溫器，外部加電伴熱保證外部溫度，使內(nèi)部水質(zhì)低溫，外部管線高溫，高溫不會(huì)向低溫傳導(dǎo)。

方案1：在管線露天部分增加電伴熱帶適當(dāng)調(diào)節(jié)溫度。

方案2：冬天在露天管線外部包裹防凍材料如毛氈。

方案3：在管線內(nèi)外層中間加入隔熱良好的材料，內(nèi)部加入內(nèi)置式液體降溫器，外部加電伴熱保證外部溫度，使內(nèi)部水質(zhì)低溫，外部管線高溫，高溫不會(huì)向低溫傳導(dǎo)。

3.4物場(chǎng)模型

提出技術(shù)方案：在輸送及儲(chǔ)存介質(zhì)中加入緩蝕劑降低腐蝕程度。

技術(shù)方案：

方案1：在輸送及儲(chǔ)存介質(zhì)中加入緩蝕劑降低腐蝕程度。

方案2：在軸瓦中間加裝新材質(zhì)提高潤(rùn)滑和保護(hù)特性。

方案3：加裝液位警報(bào)裝置。

方案4：加裝集散控制系統(tǒng)。

方案5：在輸送及儲(chǔ)存介質(zhì)中加入緩蝕劑降低腐蝕程度。

4 技術(shù)方案整理與評(píng)價(jià)

4.1全部技術(shù)方案

方案1： 改善注水水質(zhì)。

方案2：在輸送及儲(chǔ)存介質(zhì)中加入緩蝕劑降低腐蝕程度。

方案3：潤(rùn)滑油中添加耐磨劑。

方案4：重新調(diào)整機(jī)泵同心度。

方案5：將固定泵房變成“可移動(dòng)”。

方案6： 加裝前置泵，采用變頻調(diào)速技術(shù)。

方案7：定期在污水管線中加入無(wú)機(jī)磷酸鹽等油田常用防垢劑。（性能轉(zhuǎn)化法）

方案8：冬天在露天管線外部包裹防凍材料如毛氈。（預(yù)制防范法）

方案9：在管線中分段增加可清理小孔濾網(wǎng)夾層。（孔化法）

方案10： 在管線露天部分增加電伴熱帶適當(dāng)調(diào)節(jié)溫度。

方案11：在管線內(nèi)外層中間加入隔熱良好的材料，內(nèi)部加入內(nèi)置式液體降溫器，外部加電伴熱保證外部溫度，使內(nèi)部水質(zhì)低溫，外部管線高溫，高溫不會(huì)向低溫傳導(dǎo)。

提出技術(shù)方案：在軸瓦中間加裝新材質(zhì)提高潤(rùn)滑和防護(hù)特性。

提出技術(shù)方案：加裝液位警報(bào)裝置

提出技術(shù)方案：加裝集散控制系統(tǒng)。

方案12：在軸瓦中間加裝新材質(zhì)提高潤(rùn)滑和保護(hù)特性。

方案13： 加裝液位警報(bào)裝置。

方案14： 加裝集散控制系統(tǒng)。

方案 消除矛盾 產(chǎn)生新的危害 成本 　復(fù)雜性 可行性 總分 　 排名方案1 　 2 　 2 1 　 1 　 1 　 7 　 4方案2 　 2 　 2 1 　 2 　 2 　 9 　 1方案3 　 1 　 2 1 　 2 　 2 　 8 　 2方案4 　 1 　 2 2 　 1 　 2 　 8 　 2方案5 　 2 　 0 0 　 0 　 1 　 3 　 8方案6 　 2 　 2 1 　 1 　 2 　 8 　 2方案7 　 2 　 2 1 　 2 　 2 　 9 　 1方案8 　 2 　 2 1 　 2 　 2 　 9 　 1方案9 　 1 　 1 1 　 1 　 1 　 5 　 6方案10 2 　 1 1 　 1 　 2 　 7 　 4方案11 2 　 1 0 　 0 　 1 　 4 　 7方案12 1 　 1 1 　 1 　 1 　 5 　 6方案13 1 　 2 2 　 2 　 2 　 9 　 1方案14 2 　 1 1 　 1 　 1 　 6 　 5

圖4　系統(tǒng)組成示意圖

圖5　壓力和流量閉環(huán)控制系統(tǒng)

4.2方案評(píng)價(jià)

可實(shí)施的方案為：

方案2：在輸送及儲(chǔ)存介質(zhì)中加入緩蝕劑降低腐蝕程度。

方案3：潤(rùn)滑油中添加耐磨劑。

方案4：重新調(diào)整機(jī)泵同心度。

方案6： 加裝前置泵，采用變頻調(diào)速技術(shù)。

方案7：定期在污水管線中加入無(wú)機(jī)磷酸鹽等油田常用防垢劑（性能轉(zhuǎn)化法）。

方案8：冬天在露天管線外部包裹防凍材料如毛氈（預(yù)制防范法）。

方案13： 加裝液位警報(bào)裝置。

4.3專(zhuān)利預(yù)案：增加前置泵，變頻調(diào)速系統(tǒng)

系統(tǒng)組成：該系統(tǒng)由一臺(tái)注水泵、一臺(tái)增壓泵（中低壓）、注水泵電機(jī)、增壓泵電機(jī)、儀表監(jiān)控系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、水冷潤(rùn)滑系統(tǒng)、供電系統(tǒng)組成。（圖4）

工作原理：注水泵與增壓泵串接，通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)儀表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制增壓泵達(dá)到控制注水泵的輸出壓力和流量，從而使注水泵工作在高效區(qū)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。（如圖5）

4.4后續(xù)問(wèn)題研究：

①設(shè)備成本；

②工藝流程完善；

③技術(shù)參數(shù)測(cè)量。

責(zé)編/劉紅偉