海上平臺離心式注水泵流量調(diào)節(jié)及節(jié)能措施

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司 渤海石油研究院， 天津 300452)

0 引 言

注水泵是海上平臺的重要設(shè)備之一，隨著油田區(qū)塊注水開發(fā)的調(diào)整，油田全生命周期的注水流量變化范圍廣、注水壓力大，不利于注水泵的選型。注水泵是能耗大戶，耗電約占生產(chǎn)用電的30%以上。離心式注水泵作為注水泵的最主要型式，其流量調(diào)節(jié)方法已經(jīng)比較成熟，每種調(diào)節(jié)方法都有優(yōu)劣勢。目前國內(nèi)外研究集中于離心式注水泵基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)中變頻控制和液力耦合器的流量調(diào)節(jié)和節(jié)能效果，對“小流量、高揚(yáng)程”的特殊工況研究較少。在研究離心式注水泵前期選型時(shí)，關(guān)注對注水工況的要求和設(shè)備的初始投資，因設(shè)計(jì)深度問題較少考慮設(shè)備全生命周期投資和人工維修工作量。本文對海上注水工況特點(diǎn)進(jìn)行分析，從前期研究的角度對離心式注水泵流量調(diào)節(jié)方式進(jìn)行全生命周期投資對比分析，提出合適的流量控制建議和降本增效策略，完善離心式注水泵流量選擇的前期研究。

1 海上平臺注水特點(diǎn)

海上平臺注水有兩個(gè)特點(diǎn)：(1)注水流量范圍變化大且注水壓力恒定，以某海上油田注水指標(biāo)為例，注水流量范圍為5～288 m3/h ，變化范圍很大，但注水壓力不變，具體注水指標(biāo)如表1所示；(2)注水工況中某些年份存在小流量、高揚(yáng)程的苛刻工況，極不利于注水泵的選型和正常工作。

表1 某海上油田注水指標(biāo)

2 離心式注水泵流量控制方法比選

2.1 流量控制方法比選

根據(jù)海上平臺注水流量變化范圍廣、注水壓力恒定、注水管路阻力大、注水工況連續(xù)等特點(diǎn)，注水泵一般并聯(lián)使用并預(yù)留備用泵。控制流量調(diào)節(jié)的常見方式有6種：(1)直接調(diào)節(jié)出口調(diào)節(jié)閥；(2)將部分輸送液體回流至泵入口緩沖罐中(打回流)；(3)減去末級葉輪，切割或更換葉輪；(4)使用變頻器控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速；(5)使用液力耦合器控制泵葉輪輸入轉(zhuǎn)速；(6)使用變頻器或液力耦合器控制葉輪轉(zhuǎn)速，并將部分輸送液體回流至泵入口緩沖罐中(打回流)。其調(diào)節(jié)范圍和適用性對比如表2所示。

表2 離心式注水泵流量調(diào)節(jié)方法的調(diào)節(jié)范圍和適用性對比

進(jìn)行離心式注水泵流量控制方法比選時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮是否滿足項(xiàng)目實(shí)際注水參數(shù)，并結(jié)合總投資、現(xiàn)有總圖設(shè)計(jì)、廠家供貨范圍、項(xiàng)目實(shí)際需求等多方面綜合考慮。以海上某平臺為例(注水指標(biāo)見表1)，平臺設(shè)置3臺150 m3/h揚(yáng)程為160 m的離心式注水泵(注水泵前設(shè)置注水增壓泵)，2用1備，流量調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)比選結(jié)果如表3所示。

表3 某平臺離心式注水泵流量調(diào)節(jié)方法對比

續(xù)表3 某平臺離心式注水泵流量調(diào)節(jié)方法對比

由表3可知：方案四的全生命周期投資最低；方案二和方案六在占地和初始投資上稍占優(yōu)勢，雖然方案六投資占有優(yōu)勢但工藝流程復(fù)雜且操作維護(hù)量較多。由于平臺上電器間尚有富余位置，且葉輪更換要求相對苛刻，不能保證所有廠家均能滿足離心式注水泵配備兩套葉輪的要求，因此從設(shè)備全生命周期及采辦策略考慮，在一般情況下推薦采用方案四的“變頻器+離心式注水泵”方案。

考慮到現(xiàn)階段油價(jià)低迷，平臺投資緊張，收益率不高，為保證項(xiàng)目可以按時(shí)完成設(shè)計(jì)并順利投產(chǎn)，可以采用方案二。方案二的優(yōu)勢在于初始投資低且施工量小，在油價(jià)低迷的環(huán)境下可以幫助項(xiàng)目達(dá)成公司收益率要求、縮短投資回收時(shí)間，未來油價(jià)上漲，即使從全生命周期的角度看投資較大，但卻能提高油田總體收益。

2.2 小流量工況

海上平臺注水開發(fā)的第1～2年常會遇到小流量、高揚(yáng)程的特殊工況。如果小流量工況持續(xù)時(shí)間小于6個(gè)月，建議在使用現(xiàn)有流量調(diào)節(jié)方式的同時(shí)采用間歇注水。這種調(diào)節(jié)方式的優(yōu)勢在于無需增加其他設(shè)備，節(jié)省初始投資費(fèi)用，劣勢在于間歇注水對采油和泵啟動有影響。如果小流量工況持續(xù)時(shí)間超過6個(gè)月甚至1年以上，則建議采用流量調(diào)節(jié)范圍更廣的流量調(diào)節(jié)法，如果廠家有適用于小流量、高揚(yáng)程的離心式注水泵，經(jīng)過比選也可以采用“大泵+小泵”的注水方案。這種調(diào)節(jié)方式的優(yōu)勢在于可以很好地適應(yīng)工藝注水參數(shù)要求，劣勢在于投資較大，增加設(shè)備占地面積。

3 離心式注水泵流量調(diào)節(jié)節(jié)能措施

不同流量調(diào)節(jié)控制方法對應(yīng)的節(jié)能措施不同，以表1的工況為例，具體節(jié)能方法、原理及效果如表4所示。

表4 某平臺離心式注水泵流量調(diào)節(jié)節(jié)能方法

續(xù)表4 某平臺離心式注水泵流量調(diào)節(jié)節(jié)能方法

根據(jù)表4的對比結(jié)果，在表1的注水工況下，變頻器的節(jié)能幅度最大。主要原因是變頻器的調(diào)節(jié)范圍廣，適用于表1的注水工況，泵能夠在絕大多數(shù)注水年份中保持在最佳工況區(qū)域，故配備變頻器方案最優(yōu)。

節(jié)能效果與注水工況相關(guān)性很大。例如，雖然液力耦合器調(diào)節(jié)范圍較小，但其調(diào)節(jié)方式緩和，能延長泵和電機(jī)的使用壽命，非常適用于大功率離心泵調(diào)節(jié)。以渤海某平臺為例，其平臺注水量達(dá)到2 055 m3/h，經(jīng)過研究選用液力耦合調(diào)節(jié)優(yōu)于變頻器調(diào)節(jié)[4]。此外，考慮到大功率電機(jī)需要配備稀油站進(jìn)行強(qiáng)制潤滑，如果配置液力耦合器則無需額外為電機(jī)和泵體配置稀油站，故從占地面積的角度來看，當(dāng)注水量較大且離心式注水泵電機(jī)功率大于2 000 kW時(shí)，優(yōu)先考慮液力耦合器調(diào)節(jié)。

此外，還可以采用以下3種方法，從優(yōu)化技術(shù)和管理方式的角度實(shí)現(xiàn)節(jié)能降本：

(1) 安裝高壓防垢機(jī)械密封裝置。現(xiàn)場反饋泵體泄漏(機(jī)封失效)是比較常見的設(shè)備故障，主要原因?yàn)殡x心式注水泵采用填料密封，性能較差，人工維護(hù)工作量大，導(dǎo)致泵耗能高。采用高壓防垢機(jī)械密封裝置雖然初始投資略有增加，但可以使同工況下電流降低，減少耗電量，降低人員維護(hù)工作量。

(2) 同一油田群盡量選擇同廠家同規(guī)格的離心式注水泵。可以統(tǒng)一購買配件，減少人員工作量。

(3) 加強(qiáng)技術(shù)管理。加強(qiáng)“注水、污水、清水”三水崗位人員技術(shù)培訓(xùn)，使其相互之間配合默契，保證平穩(wěn)注水并使離心式注水泵運(yùn)行處于最佳工況區(qū)[5]。

4 結(jié)束語

海上平臺離心式注水泵的流量調(diào)節(jié)方式直接關(guān)系到采油效果和工程投資。選擇流量調(diào)節(jié)方式時(shí)：首先按照注水要求，保證其可行性；其次考慮調(diào)節(jié)方法對總圖布置的影響；最后考慮經(jīng)濟(jì)、相對簡捷的調(diào)節(jié)方式。離心式注水泵的節(jié)能方式與流量調(diào)節(jié)控制方法有關(guān)，應(yīng)根據(jù)不同的調(diào)節(jié)方式理性地選擇節(jié)能措施，不能單純?yōu)榱斯?jié)能而節(jié)能，忽視注水要求，給平臺總體布置造成更大的浪費(fèi)。

小流量注水工況要求苛刻，針對這種工況應(yīng)考慮其出現(xiàn)的頻率和持續(xù)時(shí)間。如果出現(xiàn)頻率低、持續(xù)時(shí)間短，可在現(xiàn)有流量調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上采用間歇注水的方式，不建議重新進(jìn)行設(shè)計(jì)；如果持續(xù)時(shí)間長，則建議在現(xiàn)有流量調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。

離心式注水泵流量調(diào)節(jié)、小流量工況、節(jié)能措施三者間有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，選型時(shí)應(yīng)結(jié)合設(shè)備全生命周期投資、現(xiàn)場總圖布置、注水工藝參數(shù)、當(dāng)前原油價(jià)格和原油價(jià)格未來走勢綜合考慮。海上油田注水采油呈現(xiàn)“高流量、高壓力”趨勢，在進(jìn)行注水泵流量調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)充分借鑒陸上油田的經(jīng)驗(yàn)，并考慮到海上與陸上油田的差別，優(yōu)化工藝流程、設(shè)備選型及布置，達(dá)到海上平臺降本增效的目的。