油田注水設備的優選

許文龍 王寶月 吳水柱 崔兵兵(中國石油天然氣管道工程有限公司天津濱海分公司 天津 300280)

油田常用的注水升壓設備有2種，柱塞泵和離心泵。以下就排量、排出壓力、效率等性能參數及維修、維護、設備價格等方面對這兩種泵進行對比。

一、離心泵

離心泵的性能范圍很廣。油田注水采用的離心泵均為多級離心泵，其揚程在1500m～2500m之間，最高可達3000m。排量一般較大，從40m3/h～500 m3/h。軸功率從幾百到數千千瓦，所以一般采用高壓電機拖動。

離心泵在設計時，其效率可根據計算確定，依其排量和比轉數，效率范圍從36～90%。高揚程、排量不高的泵效率一般不是很高。泵內的損失分為機械損失、容積損失和水力損失，與之相應泵的效率分為機械效率、容積效率和水力效率，三種損失之和為泵的總損失，三種效率之積為泵的總效率。

機械效率基本受比轉數控制，機械效率ηm與比轉數ns的關系如下：

根據上式估算泵的機械效率見表1。

表1 ηm與ns關系數據表

容積效率ηv受控于泵的泄漏量q，對于分段式多級泵，容積效率表示如下：

式中：

q：密封環處泄漏量

q1：軸向力平衡機構處泄漏量

Q：泵的排量

水力效率ηh通常只能用經驗公式進行估算。其值與泵的比轉數關系不大，而與泵的大小有關，可用下式估算：

單級離心泵、混流泵和軸流泵可達到的效率范圍與比轉數及流量的關系（圖1）

式中：

Q：泵的設計排量(m3/s)

n：泵的轉速(r/min)

泵的總效率為上述三種效率之積。圖1給出了單機離心泵、混流泵和軸流泵與比轉數和排量的關系。

由上圖可見，離心泵的效率范圍從36%～90%。同一排量的泵，比轉數ns大約在160時，泵的效率最高。以注入量70L/s，注水系統壓力20MPa為例，若運轉1臺泵，選擇單級揚程159m的13級離心泵，其比轉數經計算為64，查上圖可得知其效率為76%，軸功率計算為1889k W，電功率為2099k W。若運轉2臺泵，則比轉數為45，效率下降到68%。軸功率為2111 k W，電功率為2345 k W。由上述方法得到的效率為這一性能離心泵效率的上限，略高于設備說明書的標定效率。離心泵與原動機一般采用鍵連接傳動，傳動效率為100%。所以上述效率既為泵的總效率。

泵的排量需進行調節，可以通過調節閥、回流和調節電機轉速來實現。用回流調節將造成大量的能量浪費，一般不宜采用。通過調節閥調節（泵恒轉速）與變頻調速的運行參數對照見表2。

表2 泵恒轉速與變頻調速運行參數對照表

表2中電機效率按90%計算。由上表可見，增加變頻調速之后，節電百分率從3.2%～6.8%，按注水量勻速遞減考慮，平均節電百分率為5.64%。按電機平均運行功率1800k W計算，年平均節電89萬度。曾加變頻調速的工程費用約330萬元（其中變頻器和變頻用變壓器設備費300萬元，配專用變頻電機設備增加費20萬元，施工費10萬元），按電費0.5元/度計算，投資回收期為7.2年，內部收益率5%，財務凈現值-341.37萬元，經濟上不可行。經計算電費高于0.62元/度時，經濟上可行。變頻調速投資較大，節電效果不是很明顯，不推薦采用，用調節閥調節流量即可滿足生產需要。

二、柱塞泵

柱塞泵是容積式泵，其性能特點是在設計工況范圍內排量與排出壓力無關，為一常數。一般適用于輸送高粘度、大比重的液體，排出壓力較高而排量相對不大。排出壓力為20MPa時排量一般不大于30m3/h，排出壓力25MPa時排量一般不大于24m3/h。軸功率一般不超過200k W，采用低壓電機拖動。

近年來，開始出現大排量的高壓柱塞泵，重慶水泵廠生產的3D9-105/22型柱塞泵，額定排出壓力22MPa時，排量可達105 m3/h。其軸功率達到750k W以上，采用高壓電機拖動。大港油田中成機械制造有限公司生產的最大型的柱塞泵，額定排出壓力20.7MPa時，額定排量為42 m3/h，配低壓電機功率為315k W。

柱塞泵在設計時，其效率用計算方法很難確定，只能用試驗方法確定。傳動方式有皮帶傳動和鍵連接傳動兩種。電動泵的效率范圍是η=60%～90%。用于油田注水的柱塞泵效率一般較高，計算傳動損失在內的泵效可達80%甚至85%以上。大港油田中成機械制造有限公司生產的柱塞式注水泵采用皮帶傳動，效率均在85%以上，重慶水泵廠生產的柱塞式注水泵采用鍵連接傳動，效率最高達89%。

柱塞泵的排量調節方法有2種，一種是通過回流調節，另一種是通過變頻調節。

柱塞泵的設備價格，重慶水泵廠生產的3D9-83/22型三柱塞泵，額定排出壓力22MPa，額定排量83 m3/h，配高壓電機功率630k W，設備報價80萬元。大港油田中成機械制造有限公司生產的5ZB-20/43型五柱塞泵報價45萬元。根據牛圈湖油田的注水量及其變化特點，選用排量相對較小的5ZB-20/43型五柱塞泵，對注水量變化適應性較強，其所配低壓電機便于變頻調速。

三、兩種泵型的比較

柱塞泵與離心泵相比，運行效率至少高10個百分點，年節電量近15%。以注入量70L/s，注水系統壓力20MPa為例進行比較，結果見表3。

表3 運行離心泵與柱塞泵耗電量對照表

運行柱塞泵，泵效高，單臺排量較小，使用比較靈活，可選擇1～2臺變頻運行，變頻設備投資不高，節能效果較好，便于控制。但設備數量多，需廠房面積較大，易損件較多，維修工作量較大。

運轉離心泵，設備數量少，維修工作量小。但由于單臺設備較大，排量調節不是很靈活，電機變頻設備投資較大，不經濟。

通過上述分析比較，可得出油田注水設備的選擇原則：對建設用地限制不嚴時，應盡量優選柱塞泵，而當對建設用地嚴格限制時（如海上平臺），應優選離心泵。