文/大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠 李琪彤黑龍江省技術(shù)創(chuàng)新方法研究會 張穎 吳永志
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基于TRIZ理論的降低離心泵單耗的研究
文/大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠 李琪彤
黑龍江省技術(shù)創(chuàng)新方法研究會 張穎 吳永志
摘要:對油田注水系統(tǒng)現(xiàn)狀進行了調(diào)查和分析,注水系統(tǒng)是油田耗電大戶,注水單耗是衡量注水系統(tǒng)能耗重要指標(biāo),部分注水電機注水單耗偏高,注水系統(tǒng)效率偏低,該文通過分析,有針對性地提出降低注水單耗的技術(shù)和管理措施,對降低注水系統(tǒng)能耗,提高系統(tǒng)效率有積極的意義。
關(guān)鍵詞:注水系統(tǒng);單耗;效率;降低
油田開發(fā)后期,注水開發(fā)在油田生產(chǎn)中起決定性作用,高壓離心泵(多級離心泵P>4.0MPa)主要用于油田注水,為油田注水提供注水壓力。然而注水泵在油田耗電設(shè)備中耗電量所占比例過大, 具有較大節(jié)能潛力。在技術(shù)革新、更新的形勢下,要求我們在實際生產(chǎn)中,注重科學(xué)管理,實施技能改造,以降低注水泵單耗為目標(biāo),從而實現(xiàn)降本增效的目的。
1.1當(dāng)前系統(tǒng)的功能及組成:當(dāng)前注水系統(tǒng)主要由污水來水、管道、儲水罐、高壓注水泵、注水管網(wǎng)組成。
1.2當(dāng)前系統(tǒng)的工作原理(配圖):靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪,帶動液體高速旋轉(zhuǎn),又利用離心力的原理將液體甩出,從而實現(xiàn)輸送液體的目的。
1.3存在的主要問題:
①泵管壓差大。泵壓與注水管線壓力之間存在較大壓差,泵管壓差大,必須靠控制出口閥門來保證注水管網(wǎng)的注水壓力,這樣既造成大量的電能被白白消耗,同時又由于泵壓較高,對機泵的運行影響較大。
②泵效低。泵效和單耗是相互聯(lián)系的,產(chǎn)生同樣流量和揚程,泵效低消耗的能源越大,相反,泵效高能量損失小。由離心泵的性能特性曲線η—Q可知,隨著泵排量的增加泵效逐漸上升,當(dāng)上升到最高點后隨著排量的增加泵效隨之降低。泵效達到的最高點稱為最佳工況點,這一點所對應(yīng)的揚程、泵效、排量、軸功率等參數(shù)稱之為最優(yōu)參數(shù)。但是注水量波動較大,人為控制很難找到工況點。
③泵壓的影響。單耗雖然由耗電量除以注水量得出,但由于泵站泵壓控制可直接影響注水泵的注水量和耗電量,因而也就影響了注水單耗的大小。無壓負(fù)荷的情況下,隨著泵壓的升高,單耗值是隨著上升的,泵壓越高,單耗增長越大。壓負(fù)荷情況下,單泵單耗隨泵壓升高,也就是隨著壓負(fù)荷程度的加深單耗值上升越快,且大于不壓負(fù)荷時的上升速度。
④管線及泵內(nèi)部元件結(jié)垢腐蝕。由于所注水質(zhì)一般為普通污水,致使管線及泵內(nèi)部元件結(jié)垢腐蝕嚴(yán)重,造成葉輪腐蝕,出現(xiàn)砂眼、空洞,口環(huán)間隙過大等,泵進口管線結(jié)垢腐蝕都影響注水效率。
1.4技術(shù)參數(shù):
①注水單耗計算公式:
式中DH—注水單耗,kW·h/m3;
W—注水站電動機耗電量,kW·h;
V—注水泵輸出水量,m3。
②離心泵性能特性曲線。
1.5問題解決目標(biāo):合理降低高壓注水泵實際過高的單耗。
1.6限制條件:
①生產(chǎn)管理制約。實際生產(chǎn)中,日注水量是一個波動較大的參數(shù),特別是高壓注水系統(tǒng)。注水井受生產(chǎn)管理者的制約,開關(guān)現(xiàn)象頻繁,注水量晝夜變化較大。
圖1 離心泵系統(tǒng)的九屏圖
②生產(chǎn)成本制約。實際生產(chǎn)環(huán)境中,生產(chǎn)改造成本有限,一些消耗成本較大的設(shè)備或者方案無法實行。
③工藝流程制約。原設(shè)備只能定速運行,所以只能靠調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)注水量大小,調(diào)節(jié)方法較單一。
1.7詳細(xì)列出目前解決的方案或類似產(chǎn)品的解決方案或已有專利,并分析存在問題:
加裝集散控制系統(tǒng)。根據(jù)注水站工藝流程,在整個系統(tǒng)中設(shè)置多項監(jiān)控點(溫度、壓力、流量、液位),并在這些測控點上安裝傳感器,將現(xiàn)場的物理變化量轉(zhuǎn)換為電信號傳送給控制中心(可編程控制器和工業(yè)計算機可編程技術(shù)和強大的組態(tài)軟件),對整個系統(tǒng)進行實際監(jiān)控。實現(xiàn)對注水泵出口閥門的開閉度進行無極同步調(diào)速,同時對參數(shù)的監(jiān)測、計算、優(yōu)化控制注水泵在高效區(qū)運行。
存在的問題:整個集散系統(tǒng)安裝下來耗費成本高、技術(shù)難度大。
2.1九屏圖(見圖1)
提出的技術(shù)方案:
方案1:加裝變頻器提高系統(tǒng)智能程度。
2.2因果鏈分析(見圖2)
確定解決問題的關(guān)鍵問題:見黃色部分。
提出技術(shù)方案:
方案1: 改善注水水質(zhì)。
方案2:在輸送及儲存介質(zhì)中加入緩蝕劑降低腐蝕程度。
方案3:潤滑油中添加耐磨劑。
方案4:重新調(diào)整機泵同心度。
2.3資源分析(見表1)
提出技術(shù)方案:
方案1:加裝變頻器。
方案2:將固定泵房變成“可移動”。
3.1最終理想解(見表2)
提出技術(shù)方案:
方案1: 加裝前置泵,采用變頻調(diào)速技術(shù)。
3.2技術(shù)矛盾
①原問題技術(shù)矛盾的表述:(見圖3)
確定要解決的技術(shù)矛盾為 TC-1,它發(fā)生在(管線設(shè)備結(jié)垢現(xiàn)象會降低)與(冬季管線會凍堵)之間,發(fā)生在(輸送介質(zhì)溫度低)的時候。
圖2 因果鏈分析
表1 資源分析
表2 最終理想解
圖3 原問題技術(shù)矛盾的表
②問題模型—對應(yīng)的39個通用工程參數(shù)
改善的參數(shù):30作用于物體的有害因素
惡化的參數(shù):35適應(yīng)性
③解決方案模型
對應(yīng)查看阿奇舒勒矛盾矩陣表得到參考創(chuàng)新原理為:
35性能轉(zhuǎn)化法
11預(yù)制防范法
22變害為利法
31孔化法
提出技術(shù)方案:
方案1:定期在污水管線中加入無機磷酸鹽等油田常用防垢劑(性能轉(zhuǎn)化法)。
方案2:冬天在露天管線外部包裹防凍材料如毛氈(預(yù)制防范法)。
方案3:在管線中分段增加可清理小孔濾網(wǎng)夾層(孔化法)。
3.3物理矛盾
①確定物理矛盾:
(輸送介質(zhì)溫度)應(yīng)該(A+ 低),以滿足(管線設(shè)備結(jié)垢)要求;(輸送介質(zhì)溫度)應(yīng)該(A- 高),以滿足(冬季管線不會凍堵)要求。
②擬采用分離原理
空間分離:
提出技術(shù)方案:在管線露天部分增加電伴熱帶適當(dāng)調(diào)節(jié)溫度。
時間分離:
提出技術(shù)方案:冬天在露天管線外部包裹防凍材料如毛氈。
整體與部分分離:
提出技術(shù)方案:在管線內(nèi)外層中間加入隔熱良好的材料,內(nèi)部加入內(nèi)置式液體降溫器,外部加電伴熱保證外部溫度,使內(nèi)部水質(zhì)低溫,外部管線高溫,高溫不會向低溫傳導(dǎo)。
方案1:在管線露天部分增加電伴熱帶適當(dāng)調(diào)節(jié)溫度。
方案2:冬天在露天管線外部包裹防凍材料如毛氈。
方案3:在管線內(nèi)外層中間加入隔熱良好的材料,內(nèi)部加入內(nèi)置式液體降溫器,外部加電伴熱保證外部溫度,使內(nèi)部水質(zhì)低溫,外部管線高溫,高溫不會向低溫傳導(dǎo)。
3.4物場模型
提出技術(shù)方案:在輸送及儲存介質(zhì)中加入緩蝕劑降低腐蝕程度。
技術(shù)方案:
方案1:在輸送及儲存介質(zhì)中加入緩蝕劑降低腐蝕程度。
方案2:在軸瓦中間加裝新材質(zhì)提高潤滑和保護特性。
方案3:加裝液位警報裝置。
方案4:加裝集散控制系統(tǒng)。
方案5:在輸送及儲存介質(zhì)中加入緩蝕劑降低腐蝕程度。
4.1全部技術(shù)方案
方案1: 改善注水水質(zhì)。
方案2:在輸送及儲存介質(zhì)中加入緩蝕劑降低腐蝕程度。
方案3:潤滑油中添加耐磨劑。
方案4:重新調(diào)整機泵同心度。
方案5:將固定泵房變成“可移動”。
方案6: 加裝前置泵,采用變頻調(diào)速技術(shù)。
方案7:定期在污水管線中加入無機磷酸鹽等油田常用防垢劑。(性能轉(zhuǎn)化法)
方案8:冬天在露天管線外部包裹防凍材料如毛氈。(預(yù)制防范法)
方案9:在管線中分段增加可清理小孔濾網(wǎng)夾層。(孔化法)
方案10: 在管線露天部分增加電伴熱帶適當(dāng)調(diào)節(jié)溫度。
方案11:在管線內(nèi)外層中間加入隔熱良好的材料,內(nèi)部加入內(nèi)置式液體降溫器,外部加電伴熱保證外部溫度,使內(nèi)部水質(zhì)低溫,外部管線高溫,高溫不會向低溫傳導(dǎo)。
提出技術(shù)方案:在軸瓦中間加裝新材質(zhì)提高潤滑和防護特性。
提出技術(shù)方案:加裝液位警報裝置
提出技術(shù)方案:加裝集散控制系統(tǒng)。
方案12:在軸瓦中間加裝新材質(zhì)提高潤滑和保護特性。
方案13: 加裝液位警報裝置。
方案14: 加裝集散控制系統(tǒng)。
方案 消除矛盾 產(chǎn)生新的危害 成本 復(fù)雜性 可行性 總分 排名方案1 2 2 1 1 1 7 4方案2 2 2 1 2 2 9 1方案3 1 2 1 2 2 8 2方案4 1 2 2 1 2 8 2方案5 2 0 0 0 1 3 8方案6 2 2 1 1 2 8 2方案7 2 2 1 2 2 9 1方案8 2 2 1 2 2 9 1方案9 1 1 1 1 1 5 6方案10 2 1 1 1 2 7 4方案11 2 1 0 0 1 4 7方案12 1 1 1 1 1 5 6方案13 1 2 2 2 2 9 1方案14 2 1 1 1 1 6 5
圖4 系統(tǒng)組成示意圖
圖5 壓力和流量閉環(huán)控制系統(tǒng)
4.2方案評價
可實施的方案為:
方案2:在輸送及儲存介質(zhì)中加入緩蝕劑降低腐蝕程度。
方案3:潤滑油中添加耐磨劑。
方案4:重新調(diào)整機泵同心度。
方案6: 加裝前置泵,采用變頻調(diào)速技術(shù)。
方案7:定期在污水管線中加入無機磷酸鹽等油田常用防垢劑(性能轉(zhuǎn)化法)。
方案8:冬天在露天管線外部包裹防凍材料如毛氈(預(yù)制防范法)。
方案13: 加裝液位警報裝置。
4.3專利預(yù)案:增加前置泵,變頻調(diào)速系統(tǒng)
系統(tǒng)組成:該系統(tǒng)由一臺注水泵、一臺增壓泵(中低壓)、注水泵電機、增壓泵電機、儀表監(jiān)控系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、水冷潤滑系統(tǒng)、供電系統(tǒng)組成。(圖4)
工作原理:注水泵與增壓泵串接,通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)、計算機儀表監(jiān)測系統(tǒng)控制增壓泵達到控制注水泵的輸出壓力和流量,從而使注水泵工作在高效區(qū),實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的目的。(如圖5)
4.4后續(xù)問題研究:
①設(shè)備成本;
②工藝流程完善;
③技術(shù)參數(shù)測量。
責(zé)編/劉紅偉