李延華 畢新忠 顧永強(qiáng) 中國(guó)石化勝利油田分公司孤東采油廠 中國(guó)石化勝利油田分公司樁西采油廠

1 前言

油田污水系統(tǒng)采用的離心泵型主要是單級(jí)雙吸系列泵，當(dāng)污水處理系統(tǒng)出現(xiàn)收油、排泥等工作時(shí)，污水的外輸液量就會(huì)發(fā)生較大的波動(dòng)，有時(shí)是一臺(tái)小排量運(yùn)行，有時(shí)是多臺(tái)的泵并聯(lián)大排量運(yùn)行，以此來(lái)滿足生產(chǎn)的需要。外輸水量的變化勢(shì)必引起管路性能曲線的變化。隨著油田注聚、注汽等三次采油技術(shù)的應(yīng)用，污水中的含油量和懸浮物、泥砂的含量在不斷升高，污水站的收油、排泥的頻率隨之上升，外輸污水的流量波動(dòng)也更加頻繁。

2 污水管路特性曲線

污水處理站，外輸污水采用單級(jí)雙吸型離心泵，輸送距離0.5～5km不等。一般情況下，污水外輸泵的揚(yáng)程，等于注水站緩沖罐液位高度，高差和沿程磨阻之和，可表示為：

式中：H－泵的揚(yáng)程力，m；

H0－注水站緩沖罐液位高度，m；

H1－污水泵到注水站的高差引起的壓力差，m；

S－管路特性系數(shù)，與管路系統(tǒng)的沿程阻力與局部阻力以及幾何形狀有關(guān)，s2/m5。

通常情況下，H1=0，（1）式簡(jiǎn)化為：

將流量Q與壓頭G的關(guān)系繪制在坐標(biāo)圖上，就得到管路特性曲線（圖1）。由于泵的型號(hào)、使用年限、機(jī)械磨損程度的不同，其特性發(fā)生的變化，都能引起管路特性的變化。它是一條在H軸上截距等于H0的拋物線。只要已知某一泵出口壓力、流量和污水壓力，便可反求出管路特性系數(shù)S。需要注意的是，管路特性系數(shù)隨管路上閥門(mén)開(kāi)啟度等因素變化。

3 污水泵的并聯(lián)運(yùn)行

通常情況下，污水站污水泵是并聯(lián)運(yùn)行的。兩臺(tái)特性相近的并聯(lián)引起的管路特性變化如圖2所示。

圖2表示兩臺(tái)泵（兩臺(tái)型號(hào)、轉(zhuǎn)數(shù)宜相同）并聯(lián)運(yùn)行時(shí)。由圖看出，兩臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，管路特性平坦，則比較有利，因?yàn)檫@時(shí)可使總流量Q1+2接近單泵單獨(dú)工作時(shí)的流量之和，泵效也都達(dá)到了65%以上。

進(jìn)行工況分析：G為管路曲線，它與泵聯(lián)合總性能曲線的交點(diǎn)B，就是并聯(lián)運(yùn)行的工作點(diǎn)，其流量為Q1+2，它代表聯(lián)合運(yùn)行的最終效果；過(guò)B點(diǎn)做水平虛線與各泵性能曲線交于C和D，它們代表參加聯(lián)合運(yùn)行時(shí)每臺(tái)泵所“貢獻(xiàn)”的工況，各自所提供的流量是Q1與Q2A。

可得出結(jié)論：兩泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)均未發(fā)揮出單泵的能力，并聯(lián)總流量小于兩單泵單獨(dú)運(yùn)行的流量和。說(shuō)明兩泵并聯(lián)都受到了“需共同壓頭”的制約。

單級(jí)雙吸系列污水泵是高比轉(zhuǎn)數(shù)泵，也就是排量較大，而泵壓較低，特性曲線較平緩，排量變化時(shí)泵壓變化較小。當(dāng)兩臺(tái)泵的揚(yáng)程相差很大，不能直接并聯(lián)工作。

綜上所述，通過(guò)泵并聯(lián)以增加管網(wǎng)流量或通過(guò)開(kāi)、停并聯(lián)泵臺(tái)數(shù)跳躍式地調(diào)節(jié)管網(wǎng)流量的作法，對(duì)管路曲線較平坦的系統(tǒng)最有利，一般情況下應(yīng)少用并聯(lián)運(yùn)行，但目前油田污水系統(tǒng)中，多臺(tái)污水泵并聯(lián)已廣為采用，此時(shí)，宜采用相同型號(hào)及轉(zhuǎn)數(shù)的污水泵。

4 污水泵變頻調(diào)速運(yùn)行

在不同型號(hào)及轉(zhuǎn)數(shù)的污水泵并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，尤其是揚(yáng)程重疊的范圍較窄時(shí)，可以考慮使用變頻調(diào)速裝置。油田污水系統(tǒng)工作協(xié)調(diào)關(guān)系如圖3所示。

以污水站分水器為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，可以把污水系統(tǒng)分為污水泵和污水管網(wǎng)兩個(gè)子系統(tǒng)。圖3描述了兩個(gè)子系統(tǒng)工作的壓力與流量關(guān)系，圖中曲線I是污水泵在額定轉(zhuǎn)速η1下的特性曲線，曲線Ⅱ是污水泵在轉(zhuǎn)速η2下的特性曲線。曲線Ⅲ是管網(wǎng)特性曲線，而曲線Ⅳ是改變管網(wǎng)中閥門(mén)開(kāi)啟程度后的管網(wǎng)特性曲線。曲線Ⅴ是轉(zhuǎn)速為η1時(shí)泵的效率曲線，曲線Ⅵ是轉(zhuǎn)速為η2時(shí)泵的效率曲線。

曲線Ⅰ與Ⅲ的交點(diǎn)A為污水泵子系統(tǒng)與污水管網(wǎng)子系統(tǒng)的工作協(xié)調(diào)點(diǎn)，污水系統(tǒng)在A點(diǎn)的壓力和流量下工作。如果油田污水需要的流量減小，傳統(tǒng)的方法是調(diào)節(jié)污水管網(wǎng)上的節(jié)流閥門(mén)，改變污水管網(wǎng)特性曲線，使工作協(xié)調(diào)點(diǎn)偏移，如圖中B點(diǎn)是當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度減小時(shí)，受其節(jié)流作用，泵后管網(wǎng)流動(dòng)阻力增加，污水泵運(yùn)行點(diǎn)沿恒轉(zhuǎn)速曲線Ⅰ的A點(diǎn)上升到B點(diǎn)，從而使泵出口壓力升高，流量減少。同時(shí)，污水泵的工作效率沿曲線Ⅴ從最高點(diǎn)下降到M點(diǎn)。此時(shí)耗電量減少不多，而效率下降較大。

例如，對(duì)于10SH-6A型泵，當(dāng)通過(guò)閥門(mén)控制流量從340m3/h減少到270m3/h時(shí)，則出口壓力將由100%增加到101.69%，泵效率η由67.8%降為57.9%，由泵功率公式(2)可得，能耗變化為：

這說(shuō)明通過(guò)閥門(mén)調(diào)節(jié)，排量降低到原來(lái)的80%，將節(jié)能9.9%。

通過(guò)變頻技術(shù)控制流量時(shí)，由于閥門(mén)全開(kāi)，只改變水泵轉(zhuǎn)速而不改變泵后管網(wǎng)阻力，因此當(dāng)污水泵轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其H-Q曲線下移，運(yùn)行點(diǎn)將由A點(diǎn)沿管網(wǎng)特性曲線Ⅲ降到C點(diǎn)，從而使污水泵流量減少，出口壓力降低，同時(shí)效率曲線隨轉(zhuǎn)速的改變由Ⅴ移到Ⅵ，污水泵始終工作在最大效率附近，其比閥門(mén)調(diào)節(jié)方式節(jié)省能耗如圖中陰影部分所示。通過(guò)變頻控制流量同樣從340m3/h減少到270m3/h，出口壓力降低到64%，泵效率維持在67.61%，能耗減少量卻變?yōu)椋?/p>

這說(shuō)明采用變頻調(diào)速，排量降低到原來(lái)的80%，將節(jié)能48.8%（表1）。

表1 變頻調(diào)節(jié)與閥門(mén)調(diào)節(jié)性能對(duì)比表

通過(guò)閥門(mén)調(diào)節(jié)，排量降低到原來(lái)的80%，將節(jié)能9.9%。采用變頻調(diào)速，排量降低到原來(lái)的80%，將節(jié)能48.8%。

通過(guò)變頻技術(shù)控制流量時(shí)，只改變水泵轉(zhuǎn)速而不改變泵后管網(wǎng)阻力，因此當(dāng)污水泵轉(zhuǎn)速降低時(shí)，運(yùn)行點(diǎn)將由A降到C點(diǎn)，從而使污水泵流量減少，出口壓力降低，同時(shí)效率由η1改變移到η，污水泵始終工作在最大效率附近。

此外，采用變頻調(diào)速，調(diào)節(jié)方便，適應(yīng)油田對(duì)污水量和壓力的要求，還可以使供電電網(wǎng)的功率因數(shù)增大，無(wú)需相位補(bǔ)償。交流傳動(dòng)具備智能控制功能，可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行全面保護(hù)，還可以減少機(jī)器部件磨損，減小管線噪聲，減少維護(hù)費(fèi)用。減小啟動(dòng)波動(dòng)，保護(hù)電機(jī)和電網(wǎng)。以上推算尚未考慮電機(jī)效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

油田污水外輸離心泵盡可能選擇大排量型號(hào)，減少并聯(lián)臺(tái)數(shù)；盡可能使并聯(lián)污水離心泵特性一致，尤其是選擇壓頭相近的泵并聯(lián)。因污水罐收油、排泥等工作，對(duì)外輸水量影響較大時(shí)，盡可能起運(yùn)變頻器控制的外輸泵，以達(dá)到節(jié)能的目的。