離心泵節(jié)能技術(shù)的研究及應(yīng)用

劉 濤

（長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠(chǎng)，寧夏銀川 750006）

0 引言

離心泵作為喂水、供水、輸油系統(tǒng)中的重要設(shè)備，按全生命周期計(jì)算離心泵運(yùn)行成本占總成本的65%～80%，由于工藝設(shè)備匹配性差、部分選型過(guò)大導(dǎo)致“大馬拉小車(chē)”、出口節(jié)流回流損失、以及輸送介質(zhì)腐蝕結(jié)垢等因素影響，造成離心泵未在高效區(qū)間運(yùn)行，運(yùn)行成本居高不下。采油三廠(chǎng)積極應(yīng)用節(jié)能降耗技術(shù)，優(yōu)化離心泵運(yùn)行參數(shù)，有效提高離心泵機(jī)組運(yùn)行效率，大幅降低離心泵用電能耗，對(duì)實(shí)現(xiàn)油田設(shè)備精益管理具有重要意義。

1 采油三廠(chǎng)離心泵運(yùn)行現(xiàn)狀

采油三廠(chǎng)共有各類(lèi)集輸站點(diǎn)362 座，其中聯(lián)合站14 座，接轉(zhuǎn)站46 座，增壓點(diǎn)227 座，脫水站16 座，計(jì)量站52 座。共有各類(lèi)離心輸油泵260 臺(tái)（總功率為18 289 kW），離心供水泵62臺(tái)（總功率9284 kW），單級(jí)離心泵1112 臺(tái)（總功率4509 kW）。

離心泵運(yùn)行成本較高的主要原因有4 個(gè)方面：①現(xiàn)場(chǎng)工況和離心泵額定參數(shù)匹配性差，通過(guò)出口閘門(mén)調(diào)節(jié)排量造成憋壓，造成離心泵運(yùn)行過(guò)程能耗損失大；②泵體老化，檢修多次導(dǎo)致泵體內(nèi)部葉輪、導(dǎo)葉裝配間隙過(guò)大，軸向、徑向偏磨，運(yùn)行參數(shù)達(dá)不到額定參數(shù)，泵效較低；③設(shè)備選型與輸送介質(zhì)適應(yīng)性差，主要體現(xiàn)在輸送采出水和含氧量高的介質(zhì)，對(duì)葉輪和泵軸等配件的腐蝕，造成離心泵檢修頻繁；④離心泵配套的電機(jī)屬于高耗能落后機(jī)電設(shè)備，電機(jī)能耗高。

研究節(jié)能措施，應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)和配套高效設(shè)備，提高離心泵系統(tǒng)綜合效率，對(duì)實(shí)現(xiàn)油田設(shè)備精益管理具有重要意義。

2 離心泵節(jié)能降耗技術(shù)應(yīng)用

按照離心泵設(shè)備全生命周期管理計(jì)算，總成本=采購(gòu)成本+運(yùn)行成本+維護(hù)成本+管理成本。其中，采購(gòu)成本一般占總成本的5%～15%；運(yùn)行成本一般占總成本的65%～80%（主要節(jié)能環(huán)節(jié)）；維護(hù)成本一般占總成本的10%～15%（主要節(jié)約環(huán)節(jié)）；管理成本一般占總成本的1%～3%（節(jié)約環(huán)節(jié)）。

實(shí)現(xiàn)離心泵設(shè)備全生命周期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，首先要實(shí)現(xiàn)運(yùn)行成本最優(yōu)，才能保證離心泵設(shè)備在整個(gè)全生命周期內(nèi)高效運(yùn)行。

2.1 節(jié)能高效離心泵的應(yīng)用

在原離心泵基礎(chǔ)上，加裝自平衡系統(tǒng)和軸向間隙調(diào)整系統(tǒng)，更換和現(xiàn)場(chǎng)工況相吻合的三元流葉輪導(dǎo)葉，易損件通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)和材料改進(jìn)，設(shè)備運(yùn)行條件完全和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行工況相吻合，水力性能、機(jī)械性能、維護(hù)周期和使用壽命遠(yuǎn)優(yōu)于原泵，能效水平相對(duì)于原泵可提高10%以上。

采油三廠(chǎng)通過(guò)對(duì)原有離心泵進(jìn)行升級(jí)改造，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)需求，合理設(shè)計(jì)離心泵參數(shù)，保證各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)，從表1 中可以看出5 臺(tái)離心泵的平均節(jié)電率達(dá)到30.77%。

2.2 高耗能離心泵電機(jī)更換

高效電機(jī)的定義：高效電機(jī)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)》（GB 18613—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(guò)降低電動(dòng)機(jī)定子繞組電阻損失、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組電阻損失、電動(dòng)機(jī)鐵耗損失、電動(dòng)機(jī)雜散損失、電動(dòng)機(jī)摩擦損失及流動(dòng)損失，提高電動(dòng)機(jī)效率。目前廣泛應(yīng)用的Y系列電動(dòng)機(jī)效率平均值為87.3%；高效電動(dòng)機(jī)的效率平均值為90.3%，超高效電動(dòng)機(jī)其效率平均值為91.7%。

采油三廠(chǎng)通過(guò)對(duì)7 臺(tái)Y 系列離心泵電機(jī)（總功率為1342 kW）更換為2 級(jí)的高效節(jié)能電機(jī)后，有效提高了離心泵電機(jī)效率。更換后電機(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)約電量=1342×24×365×3%×80%×0.7=19.74 萬(wàn)kW·h，年節(jié)約電費(fèi)=19.74×0.64=12.64 萬(wàn)元。

表1 離心泵改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 離心泵5 級(jí)改4 級(jí)前后數(shù)據(jù)對(duì)比

2.3 離心泵常規(guī)調(diào)節(jié)方式

2.3.1 葉輪外徑切割

利用切割葉輪的方法改變離心泵特性時(shí)，葉輪外圓切割量不能太大，否則會(huì)引起泵效降低過(guò)多，最大切割量與比轉(zhuǎn)速有關(guān)，比轉(zhuǎn)速越大，允許的切割量越小。離心泵葉輪直徑切割變小后，對(duì)應(yīng)的流量、揚(yáng)程、軸功率都表小，同時(shí)改變了泵的曲線(xiàn)。一般推薦葉輪直徑3%以下的切割量，超過(guò)了此切割量，葉輪外徑和導(dǎo)葉之間的空間加大會(huì)產(chǎn)生渦流，使泵的效率大幅降低，并且會(huì)加大不平衡的軸向和徑向力，引起泵的振動(dòng)。

2.3.2 離心泵抽級(jí)

離心泵在揚(yáng)程過(guò)高且流量適當(dāng)?shù)那闆r下，要實(shí)現(xiàn)節(jié)能可通過(guò)減少葉輪級(jí)數(shù)，降低泵的揚(yáng)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。抽級(jí)改造就是去掉富余揚(yáng)程的葉輪，通過(guò)減少葉輪級(jí)數(shù)，降低泵的揚(yáng)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而有效達(dá)到了節(jié)能的目的。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)需求，對(duì)原有離心泵葉輪進(jìn)行抽級(jí)，保證各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)，從表2 中可以看出離心泵由5 級(jí)抽級(jí)為4 級(jí)，日節(jié)電率下降40.8%，節(jié)電效果明顯。

2.3.3 變頻調(diào)節(jié)

用改變電機(jī)頻率的方式降低泵轉(zhuǎn)數(shù)，而達(dá)到節(jié)能降耗的目的，但是流量和轉(zhuǎn)數(shù)是倍率關(guān)系見(jiàn)式1，揚(yáng)程是轉(zhuǎn)數(shù)平方的關(guān)系見(jiàn)式2，軸功率是轉(zhuǎn)速立方的關(guān)系見(jiàn)式3。

式中：Q2、H2、P2、n2為調(diào)速后的實(shí)際流量、揚(yáng)程、軸功率、轉(zhuǎn)速；Q1、H1、P1、n1為額定流量、揚(yáng)程、軸功率、轉(zhuǎn)速。

從表3 中可以看到，30 Hz 運(yùn)行電流下降73%，25 Hz 運(yùn)行電流下降82%，20 Hz 運(yùn)行電流下降88%，可以看到通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)節(jié)電效果明顯。

同時(shí)在對(duì)單級(jí)離心泵熱水循環(huán)泵加裝變頻器降低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的同時(shí)，在滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)正常換熱需求的同時(shí)，降低了電能損耗，降低了管線(xiàn)內(nèi)雜質(zhì)對(duì)換熱暖氣片的沖刷，降低了憋壓運(yùn)行電機(jī)電流滿(mǎn)載造成的電機(jī)頻繁燒壞問(wèn)題，降低了因憋壓造成的機(jī)封漏失問(wèn)題，消除了憋壓運(yùn)行的噪音，實(shí)現(xiàn)了換熱系統(tǒng)高效運(yùn)行。

2.4 其他方式

針對(duì)部分站點(diǎn)介質(zhì)腐蝕、結(jié)垢嚴(yán)重，葉輪使用壽命短、頻繁檢修問(wèn)題，引進(jìn)納米涂層技術(shù)。離心泵葉輪易結(jié)垢問(wèn)題，通過(guò)將泵葉輪進(jìn)行防垢耐蝕納米涂層加工，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，檢泵周期延長(zhǎng)3 倍，單臺(tái)泵年可節(jié)約維修及材料費(fèi)5.72 萬(wàn)元；葉輪結(jié)構(gòu)情況得到有效解決，泵效提高。葉輪改造前后效果對(duì)比見(jiàn)表4，離心泵葉輪涂層處理前后效果如圖1 所示，為該項(xiàng)技術(shù)下一步擴(kuò)大應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

表3 熱水循環(huán)泵不同頻率下運(yùn)行電流測(cè)試數(shù)據(jù)

表4 葉輪改造前后效果對(duì)比

圖1 離心泵葉輪涂層處理前后效果

2.5 離心泵節(jié)電效果（表5）

表5 離心泵改造節(jié)能效果

采油三廠(chǎng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)際參數(shù)，通過(guò)離心泵葉輪抽級(jí)、葉輪切削、加裝變頻器，使用高效離心泵等技術(shù)，累計(jì)實(shí)現(xiàn)改造360 臺(tái)，節(jié)約電費(fèi)1320 萬(wàn)元，起到了良好的經(jīng)濟(jì)效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

從設(shè)計(jì)者角度考慮，在設(shè)計(jì)之初需要將流量和揚(yáng)程的裕量相應(yīng)的提升10%～15%，實(shí)現(xiàn)離心泵安全平穩(wěn)運(yùn)行目標(biāo)，但弊端就是相應(yīng)地提升了離心泵的能量損耗，形成更大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。所以作為設(shè)備管理人員需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)和離心泵額定參數(shù)，選取最佳的離心泵改造方式，保證工藝設(shè)備匹配性，使離心泵在高效區(qū)間運(yùn)行。