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油田注水泵站优化运行改造方案研究 丁善福( 石油与天然气) 李自力教授 摘要 油田注水是采油生产中最重要的工作之一，它可以有效地补充地层 的能量，对提高原油采收率，确保油田高产、稳产起到了积极作用。油 田注水既关系着原油产量的稳产高产，同时油田地面注水系统又是高耗 能系统，因此提高地面注水泵站效率并对注水泵站运行优化进行研究是 十分必要的。本文通过对注水工艺、注水设备进行全面系统的分析研究， 在现行注水系统地基础上，对离心泵站、增压泵站及其相关的设备包括 离心泵、电机等的效率及其影响效率因素进行了深入的研究，并在研究 的基础上针对性地提出了提高注水泵站效率的有效方法和措施，包括采 用串联分压与并联分压相结合的复合型分压注水、采用大排量高效率匹 配的离心注水泵、大小注水泵合理搭配、离心注水泵叶轮合理拆级等。 并以此为基础，提出了对注水泵站运行效率进行评价的诊断规程，来指 导泵站的优化运行。在上述理论研究的基础上，对纯梁油田注水系统进 行了实例计算，得到了理想的结果。 关键词：注水泵站，节能，优化 t h er e s e a r c ho ft h er e c o n s t r u c tp r o j e c to no p e r a t i o n o p t i m i z a t i o no f w a t e ri n j e c t i o np u m p i n gs t a t i o n d i n gs h a n f u ( p e t r o l e u ma n d n a t u r a lg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl iz i l i a b s t r a c t t h ew a t e ri n j e c t i o ns y s t e mo fo i l f i e l di so n eo ft h ei m p o r t a n tw o r k s i nt h eo i lp r o d u c t i o n i tc a ns u p p l e m e n tt h es t r a t u me n e r g ye f f e c t i v e l y , p l a ya ni m p o r t a n tr o l e i ne n h a n c et h er a t i oo fc r u d eo i l r e c o v e r y , g u a r a n t e e dt h eh i g ha n ds t a b l ep r o d u c t i o no fo i l b u ta tt h es a m et i m e ，i t i sa l s oab i gc o n s u m e rs y s t e mo fe n e r g y , s o ，i m p r o v i n gw a t e ri n j e c t i o n e f f i c i e n c y a n d o p t i m i z e t h er u no f t h e s y s t e m i sa ni m p o r t a n t s n b j e c t t h ep a p e rr e s e a r c h e so nt h ec r a f t w o r ko ft h ew a t e ri n j e c t i o n s y s t e m ，t h ew a t e ri n j e c t i o ne q u i p m e n t ，t h ev a l v eg r o u po fw a t e rm a t c h ， b a s e do nt h ep r e s e n tw a t e ri n j e c t i o ns y s t e m ，s t u d yt h ef a c t o rt h a t i n f l u e n c et h e e f f i c i e n c y o f t h e c e n t r i f u g a lp u m ps t a t i o n ，t h e t u r b o c h a r g e dp u m ps t a t i o n ，a n d s oo n i nt h er e s e a r c hf o u n d a t i o n p r o p o s e ds e v e r a le f f e c t i v em e t h o dt oa d v a n c et h ee f f i c i e n c yo ft h ew a t e r i n j e c t i o ns y s t e m i n c l u d i n g ，a d o p tt h ec o m p o u n do ft h es e r i e sd i f f e r e n t i a l p r e s s u r ea n dt h ep a r a l l e ld i f f e r e n t i a l , u s et h ec e n t r i f u g a lp u m pw i t h g r e a td i s p l a c e m e n ta n dhj i g he f f i c i e n c y , m a t c ht h ed i f f e r e n tt y p eo fp u m p r e a s o n a b 帆a n ds oo u p r o p o s e dt h ed i a g n o s er e g u l a t i o nf o rt h ew a t e r i n j e c t i o np u m p i n g s t a t i o nw h i c hw a su s e dt og u i d a n c et h eo p t i m i z e dr u n o ft h es y s t e m i m p l e m e n tt h es t u d yr e s u l to nc h u n l i a n go i l f i e l da n d o b t a i nt h ei d e a lr e s u i t k e yw o r d s ：w a t e r - i n j e c t i o np u m p i n gs t a t i o n ，e n e r g y - s a v i n g ，o p t i m i z e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特i i i i 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石 油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名： 砷年5 f 月- ，日 t 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 砷年v 月，日 加刀年p 月。日 i 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 注水是目前陆上油田采油的主要开发方式，它可有效地补充地层能 量，提高石油采收率，在确保油田高产、稳产中起到积极作用。然而， 注水系统的耗电量是巨大的，约占我国油田生产用电的3 3 5 6 。而且 随着油田综合含水率的上升，注水能耗还将急剧上升。因此，注水系统 的节能降耗对于降低油田生产成本具有重要的意义“1 。 油田注水系统主要由注水站、注水管网、注水井组成。在注水系统 效率指标的组成因素中，由于电机效率变化幅度很小，因此影响注水系 统效率的主要因素之一是注水泵效率。一般而言，为降低系统能耗，总 是遵循以下两条路线，一是通过泵站运行的优化调度，二是调整注水管 网系统的布局结构调整脚。随着油田生产形势的日益严峻，新增注水井 的数量不断增长，注水范围不断扩大，现有系统愈来愈不能完全满足油 田生产的要求，注水压力不断升高，进一步增加了地面注水工艺的难度， 注水系统耗电高，成本高的矛盾日益突出。 由于油田的油层埋藏深度不等，地层情况各不相同，因此注水压力 差异大，高低压注水井在地面上的分布十分杂乱，同一个计量配水站所 管辖的注水井压力差异大，有的注水井节流配水特别严重，大部分注水 井需进一步高压增注，注水工艺复杂，注水设备多，提高地面注水泵站 效率和降低注水单耗的技术难度大。 地面注水系统的节能降耗工作已经引起了各油田的重视，并采取了 一些技术措施：如八十年代采用高效的d f 2 5 0 离心注水泵，九十年代采 用高效的d f 3 0 0 离心注水泵，大部分高压注水井采用增压注水工艺，独 立的低渗透油田采用高效柱塞泵注水、变频调速技术、管网优化等；收 到了一定的效果，但注水系统效率较低的重要技术问题仍未解决0 1 。 要从根本上解决油田注水系统的低效问题，首先必须全面掌握注水 系统的现状，吃透注水系统各个环境的制约因素。为此，经过对油田注 水系统现状进行全面深入调查的基础上，提出了注水泵站运行优化技术 研究的研究课题。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地面注水系统现状及发展趋势 第2 章地面注水系统技术现状及发展趋势 2 1 油田地面注水系统现状 目前多数油田注水系统存在以下问题”1 ： ， 一是注水系统不能实现优化运行。为适应不同时期、不同阶段油田 对注水量的变化要求，需要经常地调整注水系统生产方案。多年来，注 水系统的运行主要是靠注水管理人员的认识和经验来实施，因而不能保 证注水系统在比较优化的状态下工作，其结果造成生产运行方案不合理， 致使注水泵可能偏离高效区工作，注水管网效率低。 二是泵管压差大。由于不同时期油田开发配注量的调整、1 3 常开井 数的增减变化，洗井、供水不足等因素的影响使注水系统的注水量产 生较大的波动，为了适应注水量的变化，只能凭操作人员的经验调整开 泵方案和调节阀门来控制流量，因此导致注水泵与注水管网之间的匹配 不合理，而产生较大的泵管压差，尤其是当注水工况频繁变化使管压发 生变化时，注水管理人员并不能及时地调整泵压来响应管压得变化，这 也是导致管压差大的主要原因之一。 2 2 国内外技术现状及发展趋势 2 2 1 国内外技术现状 2 2 1 1 多级离心注水泵运行现状。 大功率高压多级离心泵是全国各大油田注水主力泵型，压力等 级为1 6 m p a ，排量有1 4 0 、1 6 0 、2 5 0 、3 0 0 、3 5 0 、4 0 0m 3 h 等。其特点 为：排量大( 单泵排量最大可达4 3 0m 3 h ) ，注水压力适中( 可达2 5m p a ) ， 泵效较高( 7 8 以上) ：可根据地层压力的变化，方便地增减叶轮的级数来 调节泵出1 3 压力，以达到最佳匹配( 使泵管压差减小到0 5 m p a 以内) 。 为了提高注水泵效率，除对注水泵采用打光叶轮、改造流道等技术 措施外，主要推广使用大中型高效注水泵。使泵的运行效率有所提高。 国外多级离心泵都向大排量、高转速方向发展。尤其是德国k s b 公 司生产的多级离心泵，流量范围为3 9 2 44 5 4 m 3 h ，扬程14 2 3 38 0 3 m ， 转速44 6 0 67 0 0 r m i n ，泵效高达8 2 5 以上。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地面注水系统现状及发展趋势 2 2 1 2 柱塞泵运行现状 国内油田对于注水排量小于5 0 m 3 h 的注水泵，大都选用柱塞泵，型 号有3 h 型、5 z b 型( 大港) 、3 d i 型( 潍坊) 、3 1 2 5 型、3 1 7 5 型( 宁波) 。 2 0 世纪9 0 年代以来，柱塞泵的研究已取得了一批新的科研成果和专利， 产品的系列化程度有了明显提高，可生产l 1 0 0m 3 h 、i o 5 0 m p a 范 围内各种高压柱塞泵，基本上可以满足油田的要求。 但是国内柱塞泵的技术水平与国外相比还有很大差距。国外柱塞泵 3 5a 不大修。国内柱塞泵易损件，1 个站1 年更换5 0 0 6 0 0 件次。 柱塞泵的主要部件，如十字头、轴承、泵阀及密封部件使用寿命较短， 泵液力端平均寿命为3 0 0 0h ，动力端平均寿命1 50 0 0h 以上；国外泵 液力端寿命可达2 00 0 0h ，动力端平均寿命2 50 0 0h 以上。 2 2 1 3 增压注水泵现状 对高于系统压力的注水井点采用增压注水泵，是注水井增注和提高 系统效率的有效措施之一。各油田用最多的增压泵是柱塞泵，它有低进 高出( 进口压力低，小于0 1m p a ) 和高进高出( 进口压力可达1 0m p a 以 上) 2 种类型，应用技术都己非常成熟。另外，近几年国内油田还出现 了以下几种增压注水泵：管道式电动机多级增压离心注水泵( 水平电潜 泵) 、倒置式增压注水电动潜油泵、c c d b 型磁传动水平注水泵等。 2 2 i 4 泵效及注水单耗现状 注水用电单耗主要由注水泵运行效率、电机运行效率、管网平均运 行效率和注水压力决定。国内注水泵平均泵效7 2 1 ，先进值为7 8 0 9 ( 大庆) ，国外为8 0 8 5 。国外注水单耗为5 6 6 0 4k w h m 3 ，国 内注水用电单耗平均为6 9 4k w h m 3 ，全国平均注水系统效率仅为 4 7 8 。 2 2 1 5 状态检测及故障诊断现状 计算机在注水泵上的应用包括监测、诊断和控制。其中，运行参数 的监测包括流量、泵压、电流、电压等；故障诊断的监测包括轴承润滑、 振动、噪声、轴位移等；计算机控制方面主要是流量与压力的调节分配 及系统的优化运行方案实施等。国内大多停留在数据存储和统计上，状 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地面注水系统现状及发展趋势 态监测及故障诊断仍处于起步阶段；国际上已向计算机监控的机电一体 化方向发展。 2 2 2 注水系统技术发展趋势 据估计，目前全国注水系统用电量约占油田总用电量的4 0 ，因此， 注水系统节能降耗已成为油田降低生产成本的重要研究课题。而注水设 备是节能降耗的关键，不但要进行提高泵效的研究，更要把注水设备放 在注水系统这个大环境中，即研究注水泵站分布、合理的注水半径、注 水管网直径和走向、单井配注等，以达到投资最少，注水效果最好、系 统效率最高的目标。必要时还要和电动机变频调速技术、注水泵站巡控 技术进行结合研究。 目前，针对注水效率低的问题提出了两种改进技术0 1 ： 1 压力平衡配套技术 离心式注水泵拆级改型技术和离心式注水泵叶轮车削技术原理是： 根据系统需要降低额定扬程，减少泵管压差；不同压力等级注水泵型匹 配技术和增压注水技术的原理是：分压注水，将压力系统分类，减少注 水井节流损失。 2 能力平衡配套技术 ( 1 ) 高压大功率离心式注水泵自动调控技术：根据设定参数自动调 控注水泵运行工况，确保在高效区工作，在注水量发生变化时确保能力 匹配： ( 2 ) 不同排量注水泵匹配运行技术，确保注水泵在高效区工作； ( 3 ) 注水泵变频调速技术：调节泵排量，避免打回流； ( 4 ) 注水管网优化调整及低阻高强管道( 高压玻璃钢管道) 技术： 调整管网合理布局，减少管道压力降和水利损失。 总之，油田注水单耗高，系统效率低，制约原油生产成本降低的矛 盾越来越突出，通过技术攻关，提高油田注水系统效率，优化注水系统 的运行已势在必行。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章注水泵站的运行优化研究 第3 章注水泵站的运行优化研究 注水系统运行优化技术研究是根据油田注水系统的生产实际情况， 针对油田注水系统效率较低及不能优化运行的问题进行研究，本文主要 针对注水泵站效率低的问题及注水泵站优化运行技术进行了研究。 3 1 离心泵注水系统的能量模型”1 离心泵注水系统的能量模型见图3 - 1 。 0 氨啦磐彝| 二r 一 譬翌咭喘鱼勘粤孙 3 2 离心泵注水站运行优化技术研究 3 2 1 提高离心注水泵电机效率的研究 3 2 1 1 常用离心注水泵电机性能参数咖 常用离心注水泵型号为：o f l 4 0 - - 1 5 0 x 1 2 ，d f 2 5 0 - - - 1 5 0 x 1 1 ，d f 3 0 0 1 5 0 a x l l ，d f 4 0 0 一1 5 0 l l ，电动机为y g l 和y k 两种类型。y g l 为老式 风冷电机；y k 为新式水冷电机，属于大型二级( 快速) 三相异步电动机， 电动机同步转速为3 0 0 0 r m i n ，常用离心注水泵电机性能见表3 1 。 表3 - 1 常用离心注水泵电机性能表 义 电动机( k i )i - n 效率 “ k n 1 0 1 ( 町( r l m i n )m 舯( ) ( m 】 3 5i 睨0 0 一i x l i 2 盯6 5s 备注：此数据由沈阳电机厂提供。 表中：n - r - - 电动机额定功率k w ； 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章注水泵站的运行优化研究 i r 一电动机额定电流。a ；n 一电动机额定转速，r m i n ； ”一电动机额定效率，；c o s 如一电动机额定功率因数； b 一晟大转矩与额定转矩之比；i r 一电动机空载电流，a ； 附一电动机固定损耗，k w ；r 一电动机定子直流电阻，k q ； 3 2 1 2 三相异步电动机效率r l 随负荷率b 的变化规律 ( 1 ) 三相异步电动机效率r l 、负荷率b 及功率因数c o s 中的计算 a 电动机效率 轳等= 志圳。仔- ， b 电动机负荷系数 口：盟( 3 2 ) n ” c 电动机功率因数 c 西：必( 3 3 ) 4 3 u ，i t 式中：n r 一电动机的输出功率，k w ；b h 一电动机的输入功率，k w ； n 一电动机的功率损耗，k w ：n 广一电动机的额定功率，k w ； u ，一电动机线电压，v ：i 一电动机线电流， ； ( 2 ) 三相异步电动机效率n 随负荷率b 的变化规律 电动机的损耗n 包括负荷损耗n 。( 主要是铜损) 和空载损耗a n ( 主 要是铁损) 。电动机各种损耗和总损耗与负荷系数( n 广p ；n z p ：a n p ) 的关系，见图3 2 。 1 0 0 。o 8 0 7 0 譬” 重 冀o 3 。 2 0 、n 一 一r m 二卫7 p 00 1020 3 0 4 0508 07080g l0 i l i3 - 2 t 动：嚣慧 荷丰* t - 域 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章注水泵站的运行优化研究 ( 3 )电动机的功率因数c o s 随负荷率b 的变化规律 当输出功率n 2 减少时，虽然总的损耗也在减少，但减少速度较慢。 因此，电动机的效率随负荷的减少而降低；特别是负荷系数低于5 0 以 后，电动机效率下降得更快；当空载运行时，n 2 = o ，n l = n o ，n 。= 0 ：电 动机效率t 1 和功率因数c o s 十与负荷系数p 的关系见图3 3 。 ? ， 丑 一 ，j 一 c o s 。一口 ， v l 0 0 102030 405o60708 09 j0 叠荷系t 卢 图3 - 3 异步电曲机的蛀率兀和功丰周美c o 厢与直荷覃敷声的关乐由成 异步电动机的等值电路如图3 - 4 所示。 图3 4 平步电动机的午檀电摹母 异步电动机对电源来说，相当于一个电阻和一个电感串联负荷，因 而功率因数c o s 女总是小于1 的。为了建立磁场，异步电动机从电网吸取 很大的无功电流i 。，它在正常工作范围内几乎不变，在空载时定子电流 i = i 。，此时功率因数很低，一般c o s 十= o 2 左右。当负载增加时，定子电 流中的有功分量增加，使c o s 十很快上升，当接近额定负载时，c o s + 达到 最大值。当负荷增大到一定程度后( 一般t 3 o 9 时) ，由于转差率的增加， 转子漏抗增大，转子电路的无功电流增加，相应定子的无功电流也增加。 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章注水泵站的运行优化研究 因此，功率因数反而有所下降；电动机功率因数e o s | , 与负荷系数b 的关系 见图3 3 。 3 2 1 3 电压变动引起电动机特性的变化规律 电动机端电压变动时，异步电动机的特性变化见表3 2 。 表3 - 2 电压波动对异步电动机的影响 电压 电压波动 项目9 0 电压比例关系1 1 0 电压 启动转矩；最大转矩 一1 9 旷士2 1 同步转速不变恒定不变 转差率百分数 + 2 3 1 旷 - 1 7 满负荷转速 一1 5 1 满负荷 2 稍宵增加 功率7 5 负荷实际上不变实际上不变 5 0 负荷卜2 一( 卜2 ) 满负荷 1 一3 功率因数7 5 负荷 2 3 一4 5 0 5 负荷4 5 一( 5 6 ) 满负荷电流 n 一7 启动电流 一( 1 0 一1 2 ) ul o - 1 2 满负荷温度上升 6 7 0 c 一( 1 2 ) 电磁噪音稍有减少稍有增加 由表3 2 可知，电压下降时使电动机的起动转矩与最大转矩的减 少，使负荷电流增加，从而引起路线损耗的增加、电动机温度上升和效 率降低，所以要加以注意。 3 2 1 4 电动机的节电方法咖 根据以上分析可知，减少电动机的电能损耗的主要途径是提高电动 机的效率和功率因数；主要有以下2 种节能途径： ( 1 ) 选用高效率电动机，针对油田离心注水泵电机最好选用高效封 密式上水冷电机。 ( 2 ) 提高电动机负载率，避免“大马拉小车”。使电机在高效区工 作。 3 2 2 提高离心注水泵效率的研究 3 2 2 1 常用离心注水泵性能参数 s 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章注水泵站的运行优化研究 常用离心注水泵性能参数见表3 3 。 表3 - 3 常用离心注水泵性能参数 参数 q ( m i h )儿( 口)n 一( ) q s r l ( r r a i n )n c ( ) 泵型、 d f l 2 0 一1 5 0 1 2 01 4 67 05 0 9 82 9 7 5l7 d f l 4 0 一1 5 0 1 4 01 5 07 3 5 3 4 i2 9 7 5 2 0 d f 2 0 卜1 7 02 0 0i 7 07 35 8 5 02 9 8 5 2 4 d f 2 5 卜1 5 02 5 01 5 97 56 9 0 52 9 8 5 30 d f 3 0 卜1 5 0 a3 0 01 6 37 6 5 7 4 4 92 9 8 5 29 d f 3 5 0 一1 5 0 3 5 01 5 07 97 8 3 22 9 8 52 0 o f 4 0 卜1 5 04 0 01 5 68 l8 2 2 82 9 8 5 3 5 表中：甜注水泵额定流量，m s h ”_ 一注水泵额定效率，： n 注水泵的转速，r m i n ； i 广注水泵的单级扬程，m t 1 s 一注水泵的比转数； ”c7 一国内最好的注水泵与国外先进泵效的差值，； 3 2 2 2 离心注水泵的特性“” 我国油田离心注水泵工作扬程通常为1 3 0 0 2 0 0 0 m ，可以靠增减叶论 级数来改变泵的总扬程。为了简化对离心注水泵特性的研究，以油田常 用离心注水泵d f 2 5 0 一1 5 0 x 1 1 为例进行研究。 ( 1 ) 离心注水泵特性曲线( 图解法) d f 2 5 0 一1 5 0 l l 离心注水泵性能试验参数见表3 4 。 表3 4d f 2 5 0 - - 1 5 0 x 1 1 注水泵主要性能参数表 o ( m 3 h ) 2 9 02 5 02 3 02 1 01 9 01 7 51 5 51 4 02 0 0 h ( )1 6 6 11 7 4 91 7 7 51 8 0 41 8 4 01 8 8 01 9 5 02 0 5 01 8 2 0 n ( ) 7 7 57 57 3 57 26 856 5 16 0 15 6 17 0 o n 2 ( k w )1 6 9 41 5 8 61 5 1 21 4 3 21 3 9 01 3 7 61 3 6 91 3 5 91 4 1 6 根据表( 3 4 ) 中的数据作出( q ，h ) 、( q ，n ) 、( q ，n a ) 、( q ，q ) 点， 用光滑曲线连接起来就得d f 2 5 0 一1 5 0 1 l 离心注水泵的特性曲线见图 3 5 。 从图3 - 5 可知：离心注水泵q 越偏离q n ，泵出口压力p 2 ( p 3 + a p ) 越高，泵出口电动阀节流p 越严重，泵效t 1 p 越低。泵工况点越远离注 水泵的高效区，离心注水用电单耗越大。注水泵排量由2 5 0 m 3 h 下降到 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章注水泵站的运行优化研究 f l 2l a 曲 q 9 业 h 坠且 刈警 7 图3 - 5o f 拍口一j 5 甜埔口盛木不曲特性直 1 4 0 m 3 h 时，注水用电单耗7 o k w h m 3 上升到9 9 1 k w h m 3 ，注水用电单 耗增加了三分之一。从离心注水泵的n - q 特性曲线可知，离心注水泵的 高效段为一0 8 q 御1 2q - i 。当q ”。一1 5 则该注水泵电机不应进行维修保养。 ( 2 ) 注水泵优化运行规程 ( a ) 若o 0 8 q 。该注水泵是否进行节能改造应计算，计算如下： i 型注水泵换成i i 型注水泵的节电计算 首先计算i 型注水泵的运行情况( 水量o ，时) i 型注水泵运行参数的计算： 水量q ，时注水泵的扬程： h i = h m s ；o q i 。例 注水泵的轴功率： 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章注水泵站的运行优化研究 “：一盟 一 3 6 7 2 r 1 月 注水泵电机输入功率： ”叫铷。( 剁叫巩 计算型注水泵的运行情况( 水量q n 时) i i 型注水泵运行参数的计算： 水量q 时注水泵的扬程： h n = h 肌一s 加q n 。阳j 注水泵的轴功率： “：盟 “3 6 7 2 r 1 加 注水泵电机输入功率： 忙( n m1 2 m 剁卜 i 型注水泵更换成i i 型注水泵相当于节约的电机功率： ：盟掣缈砂 i 型注水泵更换成i i 型注水泵年可节约电费： 6 m 。= e t a n 水泵改造的投资回收期t g ： 7 1 ：旦 。g 蜊， 诊断： ( a ) 若t l t 1 p - 2 则该注水泵不应更换、不应 大修。 ( 3 ) 离心注水泵站分水优化运行规程 若注水泵的撤级数m7 l则该注水泵可进行撤级节能改造。 若注水泵的撤级数i l l 0 6 时： b o 6 时y 2 8 0 m 一4n = 9 0 k w 电机效率大于9 2 1 ，比额定效率n 。n = 9 3 o 下降很少。即使更换为y 2 8 0 m - 4n = 5 5 k w 电机，电机的额定 r i 。也只有9 2 5 ：电机运行效率提高得微乎其微，因此bi 0 6 电机不 应进行换电机节能改造。 2 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章注水泵站的运行优化研究 ( b ) b o 3 时： b o 3 时电机效率小于8 7 2 ，比额定效率9 3 0 下降很大，以b = 0 3 为例进行计算、；y 2 8 0 m - 4n - 9 0k w 电机，当1 3 = o 3 ，n j = 2 7 o k w ， n 2 = 2 3 5 6 k w 。 当y 2 8 0 m 一4n = 9 0 k w 电机更换为y 2 2 5 m 一6n = 3 0 k w 电机的节电计 算。 y 2 2 5 m 一4n = 3 0 k w 电动机： n 7 2 - n z = 2 3 5 6 k w 额定负载时的总损耗： 孵= 孵畴一砂一如啧急一z j = 3 2 5 9 佧别 额定可变损耗： n ；n = n k n ；= 3 2 5 9 - 1 5 = 1 j 7 5 9 ( k w ) 实际负载率： k ，：堕：丝丝：0 7 8 0 ： 3 0 对应于n 。电机的总损耗： n | = k “+ n ；= 0 7 8 二x 1 7 5 9 + 1 5 0 = 2 5 7 k w 对应于忆( ”2 = n 2 ) 时电机的输入功率n 1 1 ： ；= ，；+ = 2 35 6 + 2 5 7 = 2 6 1 3 k w 对应于n 。时的定子电流i 。： f = 扛丽万丽= 厄两面万历万：5 1 7 5 k w 对应于n 。：时的电机效率n 。 2 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章注水泵站的运行优化研究 吃= n 2 1 0 0 = 2 2 3 6 ? 5 1 6 3 。】o o = 8 8 9 4 对应n ：时的功率因数： 伽妒，- 擘型：丝坐型一o 7 6 7 2 伽俨高万一173x380 x5175 将上面计算得出的数据及y 2 8 0 m 一4n = 9 0 k w 的主要数据技术参数列 入表3 8 。 表3 - 8y 2 8 0 m - 4n = 9 0 k w 电机b = o 3 时，更换为y 2 2 5 m - 6n = 3 0 k w 主要运行参数 p hhl 1 lq _q - c 呷c 0 0 ( k n “a )( 帅 ( k n( k - ) “)( ( ” y 2 8 0 m 一4 i 1 0 n = 9 0 k - l 2 2 5 m 一6 b7 0 x 1 0 n = 3 0 k w 更换电机后节约的输入功率： an z - n z , - n z l = 2 7 o - 2 6 1 3 = 0 8 7 ( k w ) 设电机一年工作3 0 0 d ( t = 7 2 0 0 h ) ，则一年可能节电： a w = a p t = 0 8 7 x 2 4 x 3 0 0 = 6 2 6 4 ( k w h ) 年节约的电费： am j - eaw = 0 4 8 6 x 6 3 6 4 = 3 0 4 4 ( 元年) 更换电机的费用： y 2 2 5 m 一6 n = 3 0 k w 电机价格m j = 5 2 6 4 元台；旧电机的更换及新电机 安装总费用：也= 1 2 m j = 6 3 1 7 元。 更换电机的投资回收期： t = 等= 等以，俐 ，例 因此该电机应该更换。 因此电机负荷率b 0 3电机应立即更换。 ( c ) b = 0 4 时： 同理，按以上方法可计算得，y 2 8 0 m 一4n = 9 0 k w 电机负荷率b = o 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章注水泵站的运行优化研究 时，更换电机节能改造的投资回收期为3 1 年。 其余几种型号增注泵电机效率n 随负荷率b 的变化规律同y 2 2 5 m 一6 n = 3 0 k w 电机很相近；节能改造的技术与y 2 8 0 m 一4n = 9 0 k w 类同。 当增注泵电机b 0 4 时，不应进行换电机节能改造。 当增注泵电机b o 4 时，应进行换电机节能改造。 综合以上研究，提高增注泵电机效率首先考虑由小柱塞更换为匹配 大柱塞以提高轴功率：其次应考虑更换匹配的增注泵电机。 3 3 2 增压注水泵优化运行研究 ( 1 ) 油田常用的增注泵 增压注水泵有离心式增压注水泵和往复式增压注水泵2 种“”，由于 离心式增压注水泵增压值较小且泵效率低( n 。 6 0 ) ，而柱塞式增压泵 具有运行效率高，一般在8 0 9 0 ，具有排量小，匹配组合灵活等优点， 所以增压泵均采用柱塞式增压泵；它最大的缺点是运行时噪音大，易损 件( 柱塞、泵阀、弹簧及填料等) 多，维修周期短。 八十年代以来，胜利、辽河、中原等油田先后与水泵厂合作，研制 和生产用于油田注水的增压柱塞泵1 1 4 ，油田常用的增压注水泵主要参数 及性能见表3 9 。 表3 - 9 油田常用的增压泵的型号及主要参数 # , l ls景造1 t棒量谴压压p 。 泵型号軎积幕tq 电机厂謇 i x l 0 n ( r i m( u h )0 n ) 【h ) 3 z y 一4 3 7 帆厂 3 z y 一8 3 7 1 7 培帆厂 3 z y 一8o 4 0 1 6宁基机厂 ( 2 ) 提高增注泵运行效率的研究 增注泵均采用三柱塞的往复泵，泵的排量取决于活塞截面积f ( 巾为 柱塞直径) 、冲数n 、冲程长度l 和缸数m ，增注泵的理论排量： q , = 6 0 m f l n = 4 7 1 m 由2 l n( 3 - 2 5 ) 从理论上讲，泵的实际平均排量与压力无关，若以横坐标表示排量q ， 以纵坐标表示压力p ，则泵的理论特性曲线( p - o 。) 应是垂直于横坐标的直 线，排量不同，直线的位置不同。 实际上，随着泵压的增高，泵的密封处( 如活塞与缸套、活塞杆与 2 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章注水泵站的运行优化研究 密封根之间等) 的漏失量将增加，即排量系数要相应减少，所以排量随 着泵压的增加而略有减少，反映在p q 曲线上，则略有倾斜( 图3 8 虚 线所示) 。 增注泵排量由更换柱塞大小来 调节，而不是靠泵出口阀门的开启 p 度来调节，泵效q ，受增注泵排量 q 与扬程h 影响很小，主要由机械 效率n ，、容积效率n ，、水力效率 q 增压注水泵p 、q 特性曲线图 表3 1 0 增注泵与离心泵的主要区别 柱塞式增压泵离心注水泵 l 、工作件( 话塞) 作往复变速运动 1 、工作件( 多级叶轮) 作等速运动液流 液流不均匀，不平稳。均匀，平稳、流量大。 2 、活塞挤压液体，增加液体压能2 、液体被叶轮甩出后其动能与压能均增 随着活塞力的增加。液体有可能获得加，再经换能装置，把动能转为压能，但液 很高的压力体得到的压能有限。 3 、吸入和排出过程分两个阶段进3 、吸入和排出过程同时进行。无泵阀， 行，必须有泉阀。易损件少 4 、采的排量不随压力而改变，靠更4 、泵的排量随压力增加而减少，调节排 换桂塞调节排量，调节排量较麻烦。量不变 增压注水泵与离心注水泵特性差别很大，决定其节能技术与离心注 水泵节能技术有很大的差异。离心注水泵主要靠选择匹配的注水泵来节 能降耗，而增压柱塞泵主要靠提高运行的机械效率nj 、容积效率nv 、水 力效率ns 来提高nz p ，不用更换泵，增注泵运行效率一般可达到8 0 8 5 。 ( 1 ) 提高增注泵的容积效率nv 增压柱塞泵的实际排量比理论排量小，这是因为有一部分获得能量 的液体q l 从活塞与缸套、阀与阀座、活塞杆与密封盘根处漏失，造成 一定的能量损失。实际排量与泵内承受能量的液体排量之比，称为泵的 容积效率： 玎，：旦：旦_ ( 3 2 6 ) ” q4 7 1 m q ) l n 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章注水泵站的运行优化研究 当增压柱塞泵n v 0 4 且q ，e n 。一i 5 则该增注泵电机不应更换，应大修。 若1 3 8 0 则该增注泵液力端不必进行检修。 若n 。 8 0 则该增注泵液力端应进行检修。 ( 3 ) 对于第j 号增注站： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章注水泵站的运行优化研究 若p “p w 一5则该增注泵站应考虑采取分压注水工艺。 若pm 。( p a , - 5 且nz q 8 0 9 6 则该增注站不必采用分压注水工艺。 若p “ j n n n o = 8 4 8 2 4 5 2 8 = 3 9 5 4 ( k w ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章实例计算 ( 3 ) 电机输出功率 ，：二坐：竺丝：! 堕二竺! ! 竺! ：竺! 。 2 n i m 一1 8 0 0 2 + 、1 8 0 0 4 + 4 x ( j 4 5 i 一4 52 8 ) x 1 8 0 0 2x 3 9 i 5 4 2 x3 95 4 = 1 4 0 9 他即 ( 4 ) 电机负载率 k ：尘生：1 4 0 9 ：n 7 8 3 d n n 1 8 0 0 ( 5 ) 电动机的负荷率 口：旦：1 4 7 _ _ 翌9 ；0 8 2 1 7 n v 1 8 0 0 ( 6 ) 电动机的运行效率 玑：1 4 0 9 1 0 0 ：9 5 - - 2 3 ， j 7 c 2 ，2 1 4 7 9 。 2 9 5 j j ( 7 ) 电动机对应于n 2 的定子电流 l l ：墨瓦f 。丽 ：扛历瓦面万万而i = 1 5 7 ( ) f 棚 ( 8 ) 对应于n 2 时的电机功率因数 c 侧= 掣：! ! 翌型：o 8 6 3 3j 3 q 3 u | xi i 1 7 3 2 x6 3 0 0 x 1 5 7 0 ( 9 ) 采用测量法，根据油田注水地面系统效率测试荷单耗计算 方法第6 4 1 条，该电动机的实际运行效率 3 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章实例计算 以= 生气竽坐圳。 ：! ! 翌= ! 墨丝二! ：! ! 生! ! ：丝! ! ! ：二堡! ! ! ! ! 翌。，d d 1 4 7 9 = 9 工0 4 电动机的实际运行效率n7 。与电动机的理论运行效率n 。接近。 同理可求计算( 1 8 0 0 一_ 2 ，9 9 0 电机在b = 0 9 ，b = 0 8 ，b = 0 7 ，b = o 6 ，b = 0 5 ，b = o 4 ，b - - 0 _ 3 ，b = 0 2 ，b = o 1 ，b = 0 等情况下电机效 率，具体见表4 - 4 。 表4 4y k l 8 0 0 - - 2 9 9 0 电机效率n 。随负荷率b 的变化关系表 要荷率 性能参交、 b - t ，6 - b - - - # 3 “口- 3 l - l i，- t 0 4 电机输入功率 n t ( k w ) 电机输出功率 n 2 ( k w ) 定子电流i l ( a ) 负教率k 电机教率( ) 电机功率系数 根据表( 4 4 ) 中数据作出( 1 3 ，n 。) ，( b ，c o s 中) 点，用光滑曲线连 接起来就得到y k l 8 0 0 _ - 2 9 9 0 注水电机效率r i 。和功率因数c o s 巾与负荷 系数b 的关系曲线，详见图4 1 。 ， ，4 一 f ff ，_ t 4 - 1 b 0 ”0 - 2 ：动机雌牛q 和 功率固置与_ 着系t 口的* 曩田 2 离心注水泵电机节能改造的投资回收期计算 ( 1 ) b 0 6 时，离心注水泵电机是否节能改造的分析 3 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章实例计算 由表3 3 可知：y k l 8 0 0 - - - 2 9 9 0 ( n 一= 1 8 0 0 k w ) 大型高速高效电动机 d o 6 时，运行效率t 1 9 4 6 ，即使减容成y k l 6 0 0 - - 2 9 9 0 ( n f l 6 0 0k w ， v 1 = 9 5 0 ) ，或y k l 2 5 0 - - 2 9 9 0 ( n ：1 2 5 0k w ，t 1 。= 9 4 5 ) ，电动机的运行 效率也提高得微乎其微；因此d 0 6 时，电动机不应进行节能改造( 包 括减容) 。 ( 2 ) 下面计算y k l 8 0 0 - - 2 9 9 0 电机b = 0 4 时，电机减容改造的投资 回收期y k l 8