雙螺旋轉(zhuǎn)子泵在油田污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用

任堯（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

1 污水回收螺桿泵應(yīng)用現(xiàn)狀

截止2021 年底，某單位在用污水回收[1-2]螺桿泵87 臺，以E2H6300N-P-W112 型為主，占比38%，其中服役10 a 以上泵61 臺，6～10 a 26 臺。

隨著油田化學驅(qū)開發(fā)規(guī)模的加大，以及聚表劑、深調(diào)、壓驅(qū)等開發(fā)技術(shù)的推廣應(yīng)用，采出液特性發(fā)生改變，成分日趨復雜，污水中出現(xiàn)大量聚合物膠質(zhì)物質(zhì)和固體懸浮物污泥，污水站回收水池內(nèi)的反沖洗水實際是由污水、污油、大量聚合物膠質(zhì)物質(zhì)、污泥、銹垢泥砂雜質(zhì)和濾料等組成的混合物[3-5]。

由于回收的介質(zhì)成分復雜，黏度大、流動性變差[6-7]，并且隨著溫度變化，污油出現(xiàn)凝固或半凝固狀態(tài)，螺桿泵抽吸輸送的介質(zhì)呈現(xiàn)為液體、半固體、固體極不勻質(zhì)混合狀態(tài)，均質(zhì)性極差，導致螺桿泵運行狀況很不穩(wěn)定。導致泵件維修周期短，維修費用高，在當前形勢下無法做到“按需維修”。一般情況下以維持運行為主，在排量嚴重下降或無泵可運時再進行檢修，污水站污水回收螺桿泵大量長期處于帶病運行狀態(tài)，給生產(chǎn)管理帶來很大難度。污水單螺桿泵運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1，某單位螺桿泵問題主要體現(xiàn)在以下四個方面：

表1 污水單螺桿泵運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.1 Statistics of operation data of sewage single screw pump

1）螺桿泵的定子采用過盈配合，摩擦阻力較大，配套電動機功率比較大，單耗較高。隨著使用運行定子、轉(zhuǎn)子的磨損，效率大幅下降，與投產(chǎn)或維修運行初期對比，單耗大幅增加，高達40%以上。以連續(xù)跟蹤對比的A 污水站3#污水回收泵為例，單螺桿泵型號為E2H6300N，配套的電動機為YB280M-8-45 kW，連續(xù)檢測8 個月的運行數(shù)據(jù)（8個月后更換了橡膠定子和轉(zhuǎn)子）。污水單螺桿泵運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。從表1 中可看出單耗最初比較穩(wěn)定，平均為0.303 kWh/m3，運行3 個月后單耗逐漸增加，升至0.355 kWh/m3，6 個月后單耗升到0.432 kWh/m3，單耗增加42.3%。

通過對全部污水站污水回收螺桿泵的能耗情況進行統(tǒng)計，目前平均單耗在0.4 kWh/m3左右，與投產(chǎn)初期相比增幅15%～20%，能耗較高。

2）由于螺桿泵的運行環(huán)境較差，無論是新投運的泵，還是維修后的泵，一般2個月或半年左右，開始出現(xiàn)問題，泵效不斷下降。螺桿泵易損零件較多，出現(xiàn)問題維修時，每次維修定子、轉(zhuǎn)子均需更換，甚至更換萬向節(jié)、減速箱，由于維修費用過高，一般采取拖延維修帶病維持運行的應(yīng)對方式，直至無泵可運。經(jīng)統(tǒng)計年均維修1.5 次，主要是更換定子、轉(zhuǎn)子、萬向節(jié)，或是減速箱，每次維修小泵費用約6萬元～7萬元，大泵高達13萬元，價格高昂。

3）環(huán)境噪音測試高達98 dB，對員工身心健康帶來了不利影響。

4）由于螺桿泵固有結(jié)構(gòu)特點，螺桿泵機組的安裝占地較大，在泵房的有限空間內(nèi)，維修操作空間不足。同時，檢維修勞動強度較大，每次維修需2～3 人，維修工時約4～5 個工作日。尤其是更換大規(guī)格泵的定子時，勞動強度更大，維修時間更長，對正常生產(chǎn)管理有很大影響。

2 雙螺旋轉(zhuǎn)子泵應(yīng)用情況

針對上述問題，選用成熟的雙螺旋轉(zhuǎn)子泵對其替換。替換時，優(yōu)先考慮對三元、聚驅(qū)污水站等水質(zhì)較差的站進行替換，其次對水驅(qū)污水站中機泵損壞嚴重、維修費用高的站進行替換。選用的雙螺旋轉(zhuǎn)子泵流量均與原螺桿泵相同，管線敷設(shè)形式均盡量與原型一致。

2.1 結(jié)構(gòu)原理

雙螺旋轉(zhuǎn)子泵[8]采用容積式泵的設(shè)計原理，結(jié)構(gòu)設(shè)計獨特，內(nèi)部是一對相向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，密封腔內(nèi)表面采用特殊耐磨涂層噴涂工藝。轉(zhuǎn)子外面包覆特殊硫化耐磨橡膠，在旋轉(zhuǎn)過程中形成連續(xù)的容積腔室，具有高自吸能力；轉(zhuǎn)子通過同步齒輪傳動，轉(zhuǎn)子之間無接觸的特點，可以允許在無介質(zhì)的情況下運轉(zhuǎn)；橡膠轉(zhuǎn)子具有一定的彈性比，可通過一定直徑的顆粒，對污油水混合流體介質(zhì)適應(yīng)性更強。前端的傳動箱中，內(nèi)有同步齒輪和雙軸承，具有獨立潤滑和冷卻能力，運行時轉(zhuǎn)子不會產(chǎn)生噪音和振動，而且獨立的密封腔室設(shè)計，保證了密封不會向外泄漏，不會污染工作環(huán)境；裝置軸向距離短，內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，占地空間更小。

2.2 特點

具有容積式泵的高效率、低能耗、高自吸（自吸高度可達到8.5 m）、低噪音、低振動、運行平穩(wěn)的特點，而且對輸送介質(zhì)無剪切、無脈動，排量與揚程穩(wěn)定。后期維護費用低、易損零件少。內(nèi)置“防干運轉(zhuǎn)自動控制系統(tǒng)”及進口真空檢測系統(tǒng)，有效降低供液異常、無介質(zhì)斷液、異物卡阻等異常情況對機泵設(shè)備的損傷，進一步延長維修周期，降低生產(chǎn)維護成本[9]。

2.3 現(xiàn)場試驗情況及應(yīng)用效果

A 污水站2016 年3 月進行現(xiàn)場試驗，將3#單螺桿泵更換為雙螺旋轉(zhuǎn)子泵，現(xiàn)場裝置主要包括雙螺旋轉(zhuǎn)子泵、高效防爆電動機、防干運轉(zhuǎn)保護裝置、進口真空檢測裝置、控制箱、公用底座、鋼彈性柱銷聯(lián)軸器、進出S 型特型接管、防護罩等。更換前后對比，在泵排量保持不變的情況下，裝機功率下降51%，電流下降43%、單耗下降50%。自2016 年初運行到現(xiàn)在，運行狀態(tài)平穩(wěn)，振動及噪音均下降，得到一線管理人員認可。A 污水站單螺桿泵與雙螺旋轉(zhuǎn)子泵運行數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 A 污水站單螺桿泵與雙螺旋轉(zhuǎn)子泵運行數(shù)據(jù)對比Tab.2 Comparison of operating data between single screw pump and double screw rotor pump in sewage station A

B 污水站對2 臺排量120 m3/h 的污水螺桿泵替換為同排量的雙轉(zhuǎn)子螺旋泵，裝機功率下降51%，電流下降46%、單耗下降51.5%、日耗電下降19.6%。2 套裝置均一次開車調(diào)試成功，2019 年運行至今，各項性能參數(shù)指標穩(wěn)定，振動、噪音都很低，一線管理工人對裝置運行效果非常滿意。B 污水站單螺桿泵與雙螺旋轉(zhuǎn)子泵運行數(shù)據(jù)對比見表3。

表3 B 污水站單螺桿泵與雙螺旋轉(zhuǎn)子泵運行數(shù)據(jù)對比Tab.3 Comparison of operating data between single screw pump and double screw rotor pump in sewage station B

通過各項數(shù)據(jù)對比，雙螺旋轉(zhuǎn)子泵性能要優(yōu)于同工況的螺桿泵：單耗下降50%左右，單泵最低節(jié)電382.50 kWh/d，節(jié)能降耗效果非常顯著；日常維護僅需更換密封墊、潤滑油，維修費用僅為幾百元。該泵運行6 a 后才維護轉(zhuǎn)子、軸承等主體結(jié)構(gòu)，年均維護費用約1 萬元以內(nèi)；振動、噪音分別下降38%、14%。

2.4 推廣應(yīng)用情況及應(yīng)用效果

2.4.1 其它污水站應(yīng)用效果

鑒于A、B 污水站應(yīng)用雙螺旋轉(zhuǎn)子泵取得良好效果。某單位分兩批次推廣應(yīng)用9 臺雙螺旋轉(zhuǎn)子泵，第一批次至今已投運5 a，第二批次至今運行4 a。排量120 m3/h 泵裝機功率22 kW，排量50 m3/h 泵裝機功率11 kW，運行電流較小，均低于20 A，單耗均低于0.2 kWh/m3，最小單耗僅為0.09 kWh/m3，節(jié)能效果顯著；現(xiàn)場運行穩(wěn)定，僅有2 臺因更換聯(lián)軸器固定銷彈性發(fā)生簡單維修，其余泵長期穩(wěn)定運行，與A、B 污水站試驗泵情況基本相符[10]。在運雙螺旋轉(zhuǎn)子泵運行數(shù)據(jù)見表4。

表4 在運雙螺旋轉(zhuǎn)子泵運行數(shù)據(jù)Tab.4 Operating data of double-screw rotor pump in operation

2.4.2 卸油點應(yīng)用效果

經(jīng)調(diào)查，該泵在外圍油田單位卸油點也進行推廣應(yīng)用。卸油點來液主要有老油井產(chǎn)液、提撈油井產(chǎn)液、落地污油、含油壓裂液、各種零星污水，且來液量不均衡。內(nèi)含污油、老化油、污水、泥沙、巖屑等，在加熱或降壓過程中，污油還能析出氣體，在螺桿泵輸送過程中，尤其在泵腔體內(nèi)，經(jīng)常形成氣—液—固三相混合的狀態(tài)，造成泵故障率高，粗略統(tǒng)計每天發(fā)生故障檢修2～3 次，維修成本高，影響正常生產(chǎn)運行。

卸油點介質(zhì)條件差，要求輸送泵要有強大的自吸力、強大的混輸能力、耐磨、泵體抗氣蝕、震動小。2018 年該單位在某卸油點應(yīng)用1 臺60 m3/h 雙轉(zhuǎn)子螺旋泵，投入運行至今，裝置運行狀態(tài)非常穩(wěn)定，性能指標基本保持不變，檢維護頻率基本維持在9 個月左右，特別是經(jīng)過冬季運行的考驗。以前的設(shè)備的運行狀況和維修頻率相比，不可同日而語。實踐表明，雙螺旋轉(zhuǎn)子泵適應(yīng)介質(zhì)范圍更廣，尤其在處理低品質(zhì)介質(zhì)時，優(yōu)勢更加明顯。

3 經(jīng)濟評價

評價期為10 a，電費（不含稅）按0.706元/kWh 計算。根據(jù)大慶油田有限責任公司經(jīng)濟評價方法及參數(shù)選取標準（2023），外購電價（不含稅）為0.706 1 元/kWh。螺桿泵更換為雙螺旋轉(zhuǎn)子泵后，平均單臺能耗下降30%，單臺裝置年節(jié)省電量約3.2×104kWh，約節(jié)省電費2.25 萬元（日工作按12 h連續(xù)運行，年連續(xù)運行365 d 計），保守計算年節(jié)約維修費用8 萬元。每年節(jié)約費用生產(chǎn)維修成本10.25 萬元。依據(jù)經(jīng)濟效益評價分析相關(guān)標準分析計算，項目在整個生產(chǎn)期內(nèi)增量投資回收期為4.08 a，單項投資回收期小于生產(chǎn)期10 a，高于行業(yè)規(guī)定標準，在經(jīng)濟上是可行的。

4 結(jié)論

通過實際應(yīng)用評價分析來看，污水站污水回收工藝應(yīng)用雙螺旋轉(zhuǎn)子泵具有占地小、皮實耐用、維護費用低、能耗低、振動小、噪音低的優(yōu)勢，在原有站場改造應(yīng)用及新建站場應(yīng)用方面均具備進一步推廣潛力。

通過與同類型站相近參數(shù)的螺桿泵進行對比分析，雙螺旋轉(zhuǎn)子泵性能要優(yōu)于同工況的螺桿泵。一是能耗低，單耗下降20%以上，節(jié)能降耗效果非常顯著；二是維護費用低。日常維護僅需更換密封墊、潤滑油，維修費用僅為幾百元，應(yīng)用螺桿泵的污水站站年均維修費用在5 萬元—10 萬元左右；三是振動小、噪音低，振動、噪音與改造前相比明顯降低。