注水系統(tǒng)節(jié)能措施研究與挖潛

張興波 常超（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

油田的注水開發(fā)系統(tǒng)是一個(gè)比較重要的系統(tǒng)，這一系統(tǒng)是由多個(gè)部分共同組成的，每一個(gè)部分都相互連接并且相互作用，共同構(gòu)成的系統(tǒng)在整個(gè)注水開發(fā)的過(guò)程中占據(jù)了一個(gè)相當(dāng)重要的地位[1]。某油田采用分壓注水、注水泵匹配提質(zhì)增效、注水站避峰填谷的措施降低能耗[2]。另外，某油田提出停運(yùn)區(qū)塊內(nèi)1 座注水站及1 座深度污水站結(jié)合高低壓注水管網(wǎng)連通性確定優(yōu)化方式[3]。

1 現(xiàn)狀

某注水站自投產(chǎn)以來(lái)保持外輸水驅(qū)井排，2007 年開始增加三元井排，目前注水站注水泵5臺(tái)運(yùn)2備3，外輸水驅(qū)三元井排，日耗電量86 509 kWh，日注水量14967m3，單耗5.72kWh/m3。

由表1 可知，注水泵效率不高，平均泵效為76%。現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)溫度進(jìn)行錄取發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)溫度高，導(dǎo)致冷卻水更換頻繁，增加用水量，最大用水量為833 m3/d。通過(guò)計(jì)算得出，注水泵軸功率升高，注水單耗上升，增加用電量，最高單耗為5.72 kWh/m3。

表1 注水泵泵效統(tǒng)計(jì)

2 注水系統(tǒng)簡(jiǎn)介

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過(guò)一系列的完善之后， 當(dāng)前的地面注水系統(tǒng)形成了注水管網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)、污水處理系統(tǒng)等完善的設(shè)備，達(dá)到了油田開發(fā)的需求標(biāo)準(zhǔn)[4]。

2.1 工藝

注水站工藝流程如圖1 所示。深度污水單元、三元污水單元來(lái)水進(jìn)入注水罐，通過(guò)注水泵將罐內(nèi)污水外輸至水驅(qū)、三元驅(qū)井排，同時(shí)利用冷卻水系統(tǒng)對(duì)注水電動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻，利用潤(rùn)滑油對(duì)軸瓦進(jìn)行潤(rùn)滑。

圖1 注水站工藝流程

2.2 生產(chǎn)

伴隨著油田的開發(fā)，隨之而來(lái)的注采不平衡的問(wèn)題日益嚴(yán)重。而注水站作為整個(gè)油田系統(tǒng)的能耗大戶，所用能耗日益提升，平均泵水單耗在5.72 kWh/m3左右，單耗過(guò)高，面對(duì)目前油田整體形勢(shì)，單耗過(guò)高問(wèn)題需要妥善解決。針對(duì)以上問(wèn)題提出三項(xiàng)措施降低注水系統(tǒng)能耗。

3 注水系統(tǒng)節(jié)能措施的研究與挖潛

3.1 調(diào)整優(yōu)化注水泵抬量與軸竄量

注水泵轉(zhuǎn)子在定子中必須有較好對(duì)中，否則會(huì)產(chǎn)生磨擦造成泵的振動(dòng)。這種振動(dòng)不會(huì)太大但泵效下降很快；因此，在泵的組裝過(guò)程中必須按標(biāo)準(zhǔn)將轉(zhuǎn)子與定子的對(duì)中調(diào)整好，將轉(zhuǎn)子的抬量調(diào)整到最佳，并盤車靈活[5]。注水泵抬量為注水泵運(yùn)行過(guò)程中泵軸徑向移動(dòng)的距離，注水泵竄量為注水泵運(yùn)行過(guò)程中泵軸軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)的沖程。

3.1.1 軸瓦抬量測(cè)量

取下上下軸瓦，用百分表進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)值為總抬量。取下上瓦，用百分表法對(duì)軸徑向位移進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)值為上抬量，具體方法見(jiàn)圖2。

圖2 抬量測(cè)量

3.1.2 軸竄量測(cè)量

高壓離心泵運(yùn)行中，當(dāng)導(dǎo)葉中心與葉輪中心正好對(duì)準(zhǔn)時(shí)，水泵的水力損失較小、效率較高是理想的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)[6]。測(cè)量時(shí)將平衡盤卸下，裝上軸套用游標(biāo)卡尺法對(duì)軸軸向位移進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)值為總竄量抬量；將平衡盤裝上，再次進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)值為工作竄量，具體方法如圖3所示。

圖3 軸竄量測(cè)量示意圖

3.1.3 抬量與竄量的調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)與調(diào)節(jié)方式

軸瓦抬量：上抬量等于總抬量的二分之一減0.05 mm；軸竄量：工作竄量等于總竄量的二分之一減0.5 mm。抬量通過(guò)松緊一下頂絲讓瓦架和軸瓦上升或下落一點(diǎn)，竄量通過(guò)磨削平衡盤或加墊片增大或減小竄量。

3.1.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

通過(guò)以上操作方法，對(duì)目前運(yùn)行的1#注水泵進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出以下結(jié)論：頂絲需上調(diào)0.25 mm，平衡盤需加墊片0.4 mm。具體調(diào)節(jié)情況見(jiàn)表2。

表2 注水泵調(diào)節(jié)情況

對(duì)調(diào)節(jié)前后10 天的數(shù)據(jù)進(jìn)行錄取比對(duì)發(fā)現(xiàn)，平均電動(dòng)機(jī)溫度下降4 ℃，平均單耗下降0.25 kWh/m3，平均泵效提升3.1%。

3.1.5 抬量調(diào)整周期的摸索

通過(guò)對(duì)注水泵年運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析得出，年初調(diào)節(jié)后，2—11月泵效維持較為平穩(wěn)，11 月后泵效降低，將調(diào)整周期設(shè)置為9個(gè)月。

3.2 繪制注水泵特性曲線，尋找最佳排量

3.2.1 錄入與計(jì)算注水泵的基本數(shù)據(jù)

離心泵的特征曲線可用H-Q曲線表示。為了控制離心泵的流量， 必須改變管路或泵的特征。管路特征曲線的改變可利用泵排出口閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，泵特性曲線的改變可利用泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。并聯(lián)泵工作時(shí)，流量增大，是由管路特性的工作點(diǎn)發(fā)生變化引起的。當(dāng)采用調(diào)速泵時(shí)，水泵的流量與揚(yáng)程的關(guān)系及流量與工作效率之間的關(guān)系隨轉(zhuǎn)速的改變而變化[7]。選擇1#注水泵分8次對(duì)注水泵的基礎(chǔ)信息進(jìn)行錄入，錄入結(jié)果注水泵基礎(chǔ)信息見(jiàn)表3。

表3 注水泵基礎(chǔ)信息

對(duì)錄取的注水泵電壓、電流、流量、泵壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，通過(guò)公式（1）、（2）計(jì)算出軸功率、泵效[8]，并繪制1#注水泵特性曲線（圖4），得出1#注水泵最佳流量；同時(shí)，應(yīng)用次方法計(jì)算出5臺(tái)注水泵最佳工作點(diǎn)泵效及流量見(jiàn)表4。

式中：η泵為注水泵效率，%；N有為注水泵有用功率，kW；N軸為注水泵軸功率，kW；N輸出為注水泵軸功率，kW；I為注水泵電動(dòng)機(jī)電流，A；U為注水泵電動(dòng)機(jī)電壓，V。

圖4 1#注水泵特性曲線

表4 注水泵最佳工作點(diǎn)泵效及流量

3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

對(duì)運(yùn)行的4#注水泵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每2 h 錄取注水泵數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)變化時(shí)，先通過(guò)曲線找出最佳排量，然后通過(guò)泵出口調(diào)節(jié)至最佳排量，最后計(jì)算當(dāng)天單耗與前1 天對(duì)比。平均單耗下降0.12 kWh/m3，耗電量下降1 289 kWh，年節(jié)約成本110余萬(wàn)元。

3.3 安裝空氣換熱冷卻裝置，降低冷卻水用量

油田注水系統(tǒng)是油田投資的主要環(huán)節(jié)之一，強(qiáng)化注水管理、提高注水設(shè)備的運(yùn)行效率對(duì)降低油田生產(chǎn)成本有重要意義[9]。冷卻效果差，會(huì)導(dǎo)致冷卻水需求量增加，冷卻水泵負(fù)荷增大，電動(dòng)機(jī)溫度過(guò)高，影響安全運(yùn)行[10]。

3.3.1 冷卻水用量

原注水泵電動(dòng)機(jī)的冷卻是采用清水強(qiáng)制冷卻方法。1 天要換3～4 次水，冬季日用水量為500 m3，夏季日用水量為700 m3，暑天最熱時(shí)日用水量達(dá)800 m3左右。研制此裝置的目的就是用自然空氣換熱的方法對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻，從而節(jié)約清水的用量，減少員工勞動(dòng)強(qiáng)度[11]。

3.3.2 工作原理

在電動(dòng)機(jī)外殼兩側(cè)各安裝1個(gè)（360mm×290mm×50 mm）通風(fēng)裝置，內(nèi)有兩到三層灰塵過(guò)濾網(wǎng)，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，達(dá)到換熱降溫節(jié)水的目的。

3.3.3 效果對(duì)比

通過(guò)改造后2年的實(shí)際運(yùn)行來(lái)看，用水量平均每天在300 m3以下，冬天在200 m3以下，甚至更少?，F(xiàn)在1 天換1 次水即可滿足生產(chǎn)需要，此項(xiàng)革新不僅大幅降低了冷卻水的用量，年節(jié)約冷卻水16.2×104m3，而且對(duì)電動(dòng)機(jī)溫度的控制也起到了積極的作用，年經(jīng)濟(jì)效益創(chuàng)48.6萬(wàn)元。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)注水站實(shí)施措施探索，確定了注水站內(nèi)注水泵總抬量為0.65 mm，總竄量為7 mm。

2）針對(duì)注水系統(tǒng)能耗高的問(wèn)題，通過(guò)調(diào)整注水泵抬量與竄量、摸索注水泵最佳排量，該站能耗有所降低，單耗由原來(lái)的5.72 kWh/m3降至5.35 kWh/m3；同時(shí)，也延長(zhǎng)了在用機(jī)泵的使用壽命，年節(jié)約成本110余萬(wàn)元。

3）研發(fā)空氣換熱冷卻裝置，年降低注水泵冷卻水16.2×104m3。