离心泵节能技术在油田的应用

离心泵效率不仅取决于泵本身的设计和制造水平, 同时与管路工况的匹配密切相关。由于离心泵选型时通常要考虑一定的功率富余, 往往造成泵输出功率大于管路需求功率, 不得不通过调节泵出口阀 (或增加出口旁通) 以满足工况。这造成了大量的液体能被消耗在调节阀 (或回流阀) 上, 降低了离心泵的系统效率。尽管变频调节技术日趋成熟, 价格逐渐走低, 应用越来越广泛[1～2], 给离心泵节能带来变革, 但单级离心泵车削叶轮、多级离心泵增减叶轮等简便易行的实用节能技术亦不应忽视。

1 车削离心泵叶轮直径

将离心泵叶轮由直径D车削为D'时, 存在以下车削定律:

其中, H、Q、N、D为车削前离心泵的扬程、流量、功率和直径, H′、Q′、N′、D′为车削后离心泵的扬程、流量、功率和直径。

根据车削定律, 只要已知离心泵叶轮直径和扬程等相关参数, 就可以根据管路实际需要的压力 (或流量) 计算叶轮车削直径。显然, 车削后叶轮直径缩小后, 离心泵扬程、流量和功率相应降低。

现场可以用下述方法确定叶轮车削直径D′:

测量泵出口阀后压力 (就是管路系统的工作压力) , 是离心泵车削叶轮后需要达到的最小扬程, 即H′。泵出口阀前压力即H, 泵初始叶轮直径即D。

用车削定律D′=D (H/H′) 计算叶轮车削后的直径D′。

(D-D′) /D应不大于表1给出的最大切削量的规定值, 以确保切削定律的准确性和离心泵水力效率。

为了确保不发生车削过量造成叶轮报废, 可以循序渐进的分步车削叶轮;同时为了减少维修费用, 可以在离心泵保养解体时再车削。如果叶轮腐蚀严重, 可以购买新叶轮车削后装配。

应用实例:

新疆油田公司采油一厂天然气处理站的冷却水泵为8SH-9型水泵, 比转速90, 叶轮直径为φ240mm, 扬程70m (离心泵出口阀前测得) , 管路系统扬程45m (离心泵出口阀后测得) , 出口阀损失扬程30m, 电机线电压400V, 电流为123A。

经测量计算:

输入电机功率为85.2kW。

系统有效功率为:0.45×0.055×1000=24.75kW。

系统效率η为:24.75÷82.5×100%=30%。

可见, 此时系统效率只有30%, 造成这一结果的最主要原因是出口阀控制造成约40%的效率损失。由于循环水系统工况稳定, 因此考虑采用车削叶轮节能方案。

经过车削定律计算后, 计算出D′为φ154mm。由于该泵比转速为90, 因此车削量不能超过叶轮直径的15%, 即车削后叶轮直径不能小于φ204mm。遵循循序渐进的原则, 分两次车削叶轮。

第一次车削后叶轮直径φ220mm, 水泵扬程减小到55m, 管路系统压力流量保持不变, 水泵电机电流降低到102A。经计算, 输入电机功率:70.67kW, 泵系统效率提高到35.0%, 出口阀损失扬程10m。

第二次车削后叶轮直径φ214mm, 水泵扬程减小到48m, 管路系统压力流量保持不变, 水泵电机电流降低到88A。经计算, 输入电机功率:60.96kW, 泵系统效率提高到40.6%, 出口阀损失扬程3m。至此, 离心泵工况与管路工况基本匹配, 可以不再进行车削。

节能效果:每小时节电85.2-60.1=24.1kW。该泵年累计工作330天以上 (两泵轮流) , 年节电19万度, 而叶轮购置费和加工费不足1000元, 经济效益显著。

2 减少多级泵的叶轮级数的节能效果

多级离心泵相当于多个单级泵串联工作。并且有:

H=C×h;N=C×n

其中H、N为多级离心泵的扬程和功率, C为叶轮级数, h、n为每级叶轮的扬程和功率。那么, 当多级离心泵的扬程高于系统需要时, 可以减少叶轮级数, 降低泵的扬程和功率。这种方法简单易行, 应用范围广泛, 效果显著。

在实施前, 进行简单的计算就可以算出可以取掉几级叶轮。

应用实例:

某采油厂天然气处理站锅炉采用1.5GC5×7上水泵, 7级叶轮, 功率7.5kW, 实际工作扬程160m, 泵实际功率8kW。管路系统工作实际需要扬程80m, 控制泵出口阀损失扬程80m。

经过计算, 可以判断出每级叶轮产生扬程约23m。由于只需要80m扬程, 因此只要有4级叶轮就可满足需求。安全起见, 只卸掉第4级叶轮, 结果该泵的工作扬程降低为140m, 功率4.7kW, 降低3.3kW, 按每年工作6个月计算, 每年可节电1.4万度以上, 节电率达到41.2%。

3 不同离心泵的节能方案

离心泵节能的关键是使离心泵尽可能与管路工况相匹配, 尽量实现离心泵出口阀全开 (或离心泵回流阀全关) , 从而减少因调节离心泵出口阀和回流阀造成的能量损耗。

一般应先评估离心泵整体泵效, 如果泵出口阀 (或回流阀) 损耗较大, 就应考虑采取节能措施。这里列出泵出口阀 (回流阀) 的效率计算公式:

或针对不同的泵型, 可以参考表2选择不同的节能方案。

需要注意的是, 流体力学实践性很强, 在取相关参数时, 应参考理论计算值, 并以实际测量数据进行校正。

摘要：介绍单级离心泵车削叶轮、多级离心泵增减叶轮节能技术现场应用实例, 总结、比较技术特点和适用范围, 提出现场离心泵节能方案的一般方法。

关键词：离心泵,节能,技术

参考文献

[1] 万邦烈, 李继志.石油矿场水力机械[M].北京:石油工业出版社, 1987.

[2] 邓小飞, 魏存祥, 刘昆.高压变频技术在注水泵中的应用特性[J].石油矿场机械, 2008, 37 (9) :106～108.