油田注水泵節(jié)能降耗研究

　　注水采油是油田提高原油采收率的主要方法,，注水可彌補原油采出后所造成的地下虧空,，保持合理的地層壓力。注水泵是油田注水系統(tǒng)中的重要設(shè)備,，是油田注水生產(chǎn)系統(tǒng)的動力之源,。A廠油田開發(fā)生產(chǎn)已進入中、后期,，注水量和注水壓力持續(xù)上升,，采出水回注量持續(xù)增加，造成原有注水泵維修頻次高,、泵效低,、能耗高。面對油價持續(xù)低迷,、生產(chǎn)成本大幅削減嚴重形勢,，A廠積極引進并應(yīng)用注水泵節(jié)能降耗技術(shù),，優(yōu)化注水泵運行參數(shù)，不僅有效提高了注水泵機組效率,，全面提升了注水生產(chǎn)系統(tǒng)效率,，大幅度降低注水系統(tǒng)用電能耗，對油田原油生產(chǎn)“有質(zhì)量,、有效益,、可持續(xù)”發(fā)展具有重要意義。

　　1A廠注水泵運行現(xiàn)狀

　　A廠共有注水井2389口,，開井2190口,，日注水量65887m3，2016年注水量達到2267萬m3,，現(xiàn)有注水站78座,，在用注水泵撬295臺（套），其中污水注水泵134臺,，清水注水泵161臺,，電機總?cè)萘?.4萬kW，注水單耗6.8kW?h/m3,，其中注水系統(tǒng)用電量約占總用電量的30%（圖1）,。注水泵能耗損失較高的主要原因有4個方面，一是采出水對注水泵液力端泵閥腐蝕嚴重,，造成原設(shè)計為清水的注水泵液力端維修頻次高,、泵效低；二是注水泵和站點注水量不匹配,，使高壓水打回流,，造成電能浪費；三是站點配注量變化后,，注水泵的運行方式?jīng)]有及時結(jié)合配注量進行調(diào)整,，無法使注水泵好的狀態(tài)下運行。四是注水泵電機不符合《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》（GB18613—2012）要求,，電機自身能耗較高,。

　　2注水泵節(jié)能降耗技術(shù)

　　2.1主要應(yīng)用的技術(shù)2.1.1節(jié)能高效注水泵的應(yīng)用由于注采出水過程中受水質(zhì)腐蝕、含顆粒物等因素影響,，造成注水泵液力端配件機械磨損嚴重,、維修頻繁，排量下降,、泵機組效率低于節(jié)能監(jiān)測限定值,，普通分體式閥組無法適應(yīng)注采出水要求，出現(xiàn)液力端主要配件使用壽命不足120h,，遠低于設(shè)計壽命720h的要求,。A廠通過研究并引進節(jié)能液力端,，該液力端采用T字形結(jié)構(gòu)液力端結(jié)構(gòu)，T形孔較十字孔能大幅度緩解工作腔內(nèi)倒角及其附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象,；螺旋導(dǎo)向復(fù)合密封錐形組合閥組,，金屬閥板錐面上結(jié)合非金屬密封材料，改善了密封性能,；閥芯導(dǎo)向翼從直線型過渡到帶一定角度型，可使閥芯在上下運動時360°稍有轉(zhuǎn)動,，使閥結(jié)合面均勻磨損,，自行修復(fù)，提高閥的壽命（圖2）,；柱塞自動調(diào)心技術(shù),、柱塞填料密封同步隔離技術(shù)、蓄能器的改進,、改性密封組件等技術(shù),，延長液力端主要配件使用壽命達到2800h以上，有效提高了注水泵泵效,，降低了注水泵液力端維修頻次（圖3）,。注水泵液力端改造前的機組效率測試數(shù)據(jù)及計算結(jié)果（略）。截止2017年先后改造65臺注水泵機組,，經(jīng)長慶技術(shù)監(jiān)測中心（依據(jù)SY/T6275—2007《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》）對柳三轉(zhuǎn)等24臺注水泵進行改造前后能耗監(jiān)測,，對比24臺注水泵監(jiān)測結(jié)果表明，改造前注水泵平均機組效率72.28%,，改造后注水泵平均機組效率80.55%,，項目改造使注水泵機組效率平均提高8.27%。以機組效率和耗電量計算節(jié)能量,，合計節(jié)電量為248.91×104kW?h/a,，折算綜合節(jié)能量為831.36tce/a。表1,、表2為長慶油田環(huán)境與節(jié)能監(jiān)測評價中心的注水泵改造前后節(jié)能監(jiān)測報告數(shù)據(jù)對比情況,。注水泵液力端改造后的機組效率測試數(shù)據(jù)及計算結(jié)果（略），注水泵液力端改造節(jié)能量計算表（略）,。2.1.2高耗能注水泵電機更換高效電機是指達到或優(yōu)于《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》（GB18613—2012）標準中節(jié)能評價值的電機,。高效電機通過降低電機定子繞組電阻損失、電機轉(zhuǎn)子繞組電阻損失,、電機鐵耗損失,、電機雜散損失、電機摩擦損失及流動損失,，提高電機效率,。我國目前廣泛應(yīng)用的Y系列電機效率平均值為87.3％,；高效電機的效率平均值為90.3％，超高效電機其效率平均值為91.7％,。A廠2017年通過對91臺Y系列注水泵電機（總功率為19590kW）更換為2級的高效節(jié)能電機后,，有效提高了注水泵電機效率。改造后電機效率提高3%,，按照平均負載率80%,，利用率0.7計算，每年可節(jié)電288.3萬kW?h,，節(jié)省電費184.52萬元人民幣（圖4）,。2.1.3注水自動穩(wěn)壓系統(tǒng)應(yīng)用截止到目前A廠已實現(xiàn)110臺注水泵壓力自動調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)具備了較高的可靠性和穩(wěn)定性,，安裝后可實現(xiàn)完全關(guān)閉回流注水,，通過自動穩(wěn)壓系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)注水壓力，大幅度減少注水機泵和閥門的維修費用,，減輕人員的勞動強度,，達到提高注水系統(tǒng)效率和節(jié)能降耗的目的。2.1.4局部增壓技術(shù)應(yīng)用對于個別井注水壓力高的情況采用局部安裝注水撬或增壓泵,，不需要注水系統(tǒng)整體升壓改造,，可以降低投資，達到節(jié)能降耗的目的,。A廠自2008年開始在塞392區(qū)產(chǎn)建使用第一臺注水撬,，經(jīng)過8a的試點、推廣,，目前已在全廠13個作業(yè)區(qū)推廣使用不同型號的各種注水撬60臺,。2.2優(yōu)化注水泵運行參數(shù)由于注水泵現(xiàn)場配注量的調(diào)整，以及注水泵安裝后參數(shù)通過變頻器（控制柜）調(diào)節(jié)范圍小,，往往造成注水泵設(shè)備無法在好的綜合效率下運行,。因此，在生產(chǎn)運行過程中需要對注水泵的參數(shù)結(jié)合每個站點的配注量和注水壓力,、以及注水泵本身的負荷情況進行優(yōu)化,，實現(xiàn)注水泵在節(jié)能、高效狀態(tài)下運行,。注水泵參數(shù)優(yōu)化改造,，依據(jù)注水泵理論排量=3.14×直徑2/4×沖程×沖次×缸數(shù)×60；注水泵電機功率=排量×壓力0.287×1.25,；窄V帶小皮帶輪下限有效直徑9N/9J≥67mm,，15N/15J≥180mm，25N/25J≥315mm；功率和轉(zhuǎn)速關(guān)系P1/P2=（n1/n2）22.2.1改變注水泵缸數(shù)調(diào)節(jié)注水泵排量改造前,，大水坑鹽一轉(zhuǎn)注水泵型號5ZB400-35/25A,，額定排量35m3/h，額定壓力25MPa,，配注量14m3/h,，泵出口壓力21MPa，配套有變頻器并安裝有自動穩(wěn)壓系統(tǒng),。關(guān)閉回流情況下,，變頻器運行頻率為20Hz，運行過程頻繁因變頻器輸出電流過高（超過550A）自動保護停機,，電機運行頻率過低容易造成電機散熱差燒壞電機,，頻率較低造成注水泵動力端轉(zhuǎn)速較低（轉(zhuǎn)速為91.6r/min）影響動力端正常潤滑，進而嚴重影響注水泵正常運行,。采取抽掉2根柱塞，注水泵由原來的5缸泵改為3缸泵的改造方案,。改造后運行頻率45Hz,，變頻器輸出電流350A，運行正常,。改造后,，降低了注水泵額定排量，提高電機轉(zhuǎn)速,，確保注水泵動力端合理潤滑,。相比降低柱塞直徑，改造成本較低,，且排量調(diào)節(jié)范圍大,。預(yù)計年節(jié)電量40萬kW?h。2.2.2注水泵沖次“大改小”（1）皮帶輪調(diào)節(jié)沖次,。改造前,，胡尖山元二增注水泵型號3175Pa-B3，額定排量16.6m3/h,，額定壓力20MPa,，沖次228次，電機功率110kW,，電機型號YB2-315L1-6,，配注量7m?/h，實際注水壓力15MPa,，運行電流140A,，使用回流控制排量（未配套變頻器，通過控制柜啟動）。采用更換1個132次（直徑170mm）的小皮帶輪的改造方案,。改造后運行電流97A,，預(yù)計年節(jié)電8萬kW?h，節(jié)省修理費0.5萬元人民幣,。改造后,，降低了注水泵額定排量，提高注水泵泵效,，注水泵的整體負荷降低,。相比降低柱塞直徑，改造成本較低,，可操作性較高,。（2）更換電機、改變電機級數(shù)調(diào)節(jié)沖次,。改造前,，胡尖山作業(yè)區(qū)原162站注水泵型號3175Pb-A7，額定排量25m3/h,，額定壓力20MPa,，柱塞直徑55mm，沖次325次,，電機功率160kW,，電機型號Y315L-4。配注量13m3/h,，變頻器頻率36Hz,，注水壓力19MPa，使用回流控制排量,。存在使用變頻器,，同時還要開回流，因壓力高頻率過低時,，變頻器超載自動保護停機等問題,。改造后，更換1臺6極160kW電機,，額定轉(zhuǎn)數(shù)降低33%（由1485r/min降低到985r/min）,，變頻器的頻率提高12Hz，同時對變頻器加裝PID自動穩(wěn)壓系統(tǒng),，實現(xiàn)自動恒壓注水,，完全關(guān)閉回流。臺泵預(yù)計年節(jié)電10萬kW?h,，節(jié)省修理費0.5萬元人民幣（圖5）,。2.3注水泵沖次“小改大”改造前，五里灣一區(qū)南二注3臺注水泵型號5ST175-37.4/25，排量37.4m3/h,，壓力25MPa,，沖次230次，電機功率315kW,，電機型號YFBP4002-6,。配注量76m3/h，注水壓力（18～19）MPa,，啟用3臺注水泵運行（1#頻率50Hz,，2#頻率33Hz，3#頻率33Hz）,。由于2臺注水泵無法達到配注要求,，且注水壓力較低，電機負荷余量大,，更換注水泵電機皮帶輪,，調(diào)整注水量為42m3/h的注水泵，沖次由230次調(diào)高到257次,。對2#和3#注水泵變頻器50Hz的上限頻率進行解鎖,，實現(xiàn)變頻器頻率最高上限達到60Hz。改造后,，由原來啟用3臺注水泵改為啟用2臺注水泵，2臺注水泵的運行頻率均為54Hz,，同時安裝PID自動穩(wěn)壓系統(tǒng),，實現(xiàn)完全關(guān)閉回流自動恒壓注水。改造后總耗電量（改造前3臺注水泵電流分別為1#泵400A,，2#泵370A,，3#泵370A。改造后2臺注水泵電流均為440A）降低260A,，預(yù)計年節(jié)省電費53萬元人民幣,。通過改造停用1臺注水泵，節(jié)省修理費預(yù)計2萬元人民幣,。

　　3結(jié)論及認識

　　通過研究并引進應(yīng)用先進注水泵液力端技術(shù),，延長液力端主要配件使用壽命達到2800h以上，對比24臺注水泵監(jiān)測結(jié)果注水泵機組效率平均提高8.27%,。更換注水泵高效電機,，實現(xiàn)注水泵電機效率提高3%；加裝注水自動穩(wěn)壓系統(tǒng),，通過自動穩(wěn)壓系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)注水壓力,，實現(xiàn)完全關(guān)閉回流注水。結(jié)合各個注水站點的實際情況，選擇注水泵技改方案對注水泵進行參數(shù)優(yōu)化改造,，使注水泵在節(jié)能,、高效狀態(tài)下平穩(wěn)運行。通過注水泵節(jié)能改造,，大大延長注水泵無故障運行周期,，同時通過自動穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的應(yīng)用，減少操作人員的勞動強度,，為后期無人值守注水站提供硬件支撐,。目前A廠部分站點注水泵可實現(xiàn)無人監(jiān)控運行+定期保養(yǎng)模式，站點操作人員日常僅通過SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition,，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）系統(tǒng)對單井配水情況進行調(diào)節(jié)即可,，注水泵運行效率大大提高，注水泵房運行安全風(fēng)險降低,。