油田注水设备的优选

2022-09-11

油田常用的注水升压设备有2种, 柱塞泵和离心泵。以下就排量、排出压力、效率等性能参数及维修、维护、设备价格等方面对这两种泵进行对比。

一、离心泵

离心泵的性能范围很广。油田注水采用的离心泵均为多级离心泵, 其扬程在1500m~2500m之间, 最高可达3000m。排量一般较大, 从40m3/h~500 m3/h。轴功率从几百到数千千瓦, 所以一般采用高压电机拖动。

离心泵在设计时, 其效率可根据计算确定, 依其排量和比转数, 效率范围从36~90%。高扬程、排量不高的泵效率一般不是很高。泵内的损失分为机械损失、容积损失和水力损失, 与之相应泵的效率分为机械效率、容积效率和水力效率, 三种损失之和为泵的总损失, 三种效率之积为泵的总效率。

机械效率基本受比转数控制, 机械效率ηm与比转数ns的关系如下:

根据上式估算泵的机械效率见表1。

容积效率ηv受控于泵的泄漏量q, 对于分段式多级泵, 容积效率表示如下:

式中:

q:密封环处泄漏量

q1:轴向力平衡机构处泄漏量

Q:泵的排量

水力效率ηh通常只能用经验公式进行估算。其值与泵的比转数关系不大, 而与泵的大小有关, 可用下式估算:

单级离心泵、混流泵和轴流泵可达到的效率范围与比转数及流量的关系 (图1)

式中:

Q:泵的设计排量 (m3/s)

n:泵的转速 (r/min)

泵的总效率为上述三种效率之积。图1给出了单机离心泵、混流泵和轴流泵与比转数和排量的关系。

由上图可见, 离心泵的效率范围从36%~90%。同一排量的泵, 比转数ns大约在160时, 泵的效率最高。以注入量70L/s, 注水系统压力20MPa为例, 若运转1台泵, 选择单级扬程159m的13级离心泵, 其比转数经计算为64, 查上图可得知其效率为76%, 轴功率计算为1889k W, 电功率为2099k W。若运转2台泵, 则比转数为45, 效率下降到68%。轴功率为2111 k W, 电功率为2345 k W。由上述方法得到的效率为这一性能离心泵效率的上限, 略高于设备说明书的标定效率。离心泵与原动机一般采用键连接传动, 传动效率为100%。所以上述效率既为泵的总效率。

泵的排量需进行调节, 可以通过调节阀、回流和调节电机转速来实现。用回流调节将造成大量的能量浪费, 一般不宜采用。通过调节阀调节 (泵恒转速) 与变频调速的运行参数对照见表2。

表2中电机效率按90%计算。由上表可见, 增加变频调速之后, 节电百分率从3.2%~6.8%, 按注水量匀速递减考虑, 平均节电百分率为5.64%。按电机平均运行功率1800k W计算, 年平均节电89万度。曾加变频调速的工程费用约330万元 (其中变频器和变频用变压器设备费300万元, 配专用变频电机设备增加费20万元, 施工费10万元) , 按电费0.5元/度计算, 投资回收期为7.2年, 内部收益率5%, 财务净现值-341.37万元, 经济上不可行。经计算电费高于0.62元/度时, 经济上可行。变频调速投资较大, 节电效果不是很明显, 不推荐采用, 用调节阀调节流量即可满足生产需要。

二、柱塞泵

柱塞泵是容积式泵, 其性能特点是在设计工况范围内排量与排出压力无关, 为一常数。一般适用于输送高粘度、大比重的液体, 排出压力较高而排量相对不大。排出压力为20MPa时排量一般不大于30m3/h, 排出压力25MPa时排量一般不大于24m3/h。轴功率一般不超过200k W, 采用低压电机拖动。

近年来, 开始出现大排量的高压柱塞泵, 重庆水泵厂生产的3D9-105/22型柱塞泵, 额定排出压力22MPa时, 排量可达105m3/h。其轴功率达到750k W以上, 采用高压电机拖动。大港油田中成机械制造有限公司生产的最大型的柱塞泵, 额定排出压力20.7MPa时, 额定排量为42 m3/h, 配低压电机功率为315k W。

柱塞泵在设计时, 其效率用计算方法很难确定, 只能用试验方法确定。传动方式有皮带传动和键连接传动两种。电动泵的效率范围是η=60%~90%。用于油田注水的柱塞泵效率一般较高, 计算传动损失在内的泵效可达80%甚至85%以上。大港油田中成机械制造有限公司生产的柱塞式注水泵采用皮带传动, 效率均在85%以上, 重庆水泵厂生产的柱塞式注水泵采用键连接传动, 效率最高达89%。

柱塞泵的排量调节方法有2种, 一种是通过回流调节, 另一种是通过变频调节。

柱塞泵的设备价格, 重庆水泵厂生产的3D9-83/22型三柱塞泵, 额定排出压力22MPa, 额定排量83 m3/h, 配高压电机功率630k W, 设备报价80万元。大港油田中成机械制造有限公司生产的5ZB-20/43型五柱塞泵报价45万元。根据牛圈湖油田的注水量及其变化特点, 选用排量相对较小的5ZB-20/43型五柱塞泵, 对注水量变化适应性较强, 其所配低压电机便于变频调速。