侯佳榮（大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠）

薩南油田離心注水站節(jié)能降耗設(shè)計(jì)改進(jìn)

侯佳榮（大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠）

油田注水系統(tǒng)主要由注水電動(dòng)機(jī)、注水泵、泵出口調(diào)節(jié)閥、注水管網(wǎng)、注水井及冷卻系統(tǒng)等構(gòu)成，系統(tǒng)的總能耗除了注入地層的有效能量外主要消耗在上述的系統(tǒng)構(gòu)成中。隨著原油含水率的升高和提高采收率的需要，薩南油田注水量也在逐年增加，致使注水站生產(chǎn)壓力、耗電量也急劇增大，因此對(duì)注水站電動(dòng)機(jī)、注水泵及冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，采取有效措施，可以最大程度地節(jié)能降耗，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

離心式注水泵；注水站；節(jié)能；降耗

薩南開發(fā)區(qū)已建注水站33座，離心式注水泵135臺(tái)，其中投產(chǎn)年限在16年以上的注水泵29臺(tái)，占總泵臺(tái)數(shù)的21%。由于使用年限長，主要會(huì)出現(xiàn)以下3方面能耗增加的情況：當(dāng)注水工況發(fā)生變化時(shí)，由于得不到及時(shí)調(diào)整，致使注水泵偏離高效區(qū)工作，注水管網(wǎng)效率低，注水單耗高；注水泵磨損、腐蝕、結(jié)垢嚴(yán)重，注水單耗增加；冷卻塔內(nèi)部構(gòu)件腐蝕嚴(yán)重，夏季溫度高，冷卻效果不好，只能依靠更換清水維持機(jī)組冷卻，消耗了大量的清水資源。

1 注水泵改進(jìn)

1.1 采用變頻技術(shù)改造注水泵

1.1.1 技術(shù)原理

通過可控硅對(duì)輸入電流和電壓導(dǎo)通角的控制來調(diào)節(jié)輸出電源頻率，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)變轉(zhuǎn)速運(yùn)行，從而控制注水泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)注水泵流量。當(dāng)該注水系統(tǒng)采用閉環(huán)控制時(shí)，可實(shí)現(xiàn)出口流量和壓力按照生產(chǎn)需要的工況調(diào)節(jié)，泵出口閥門可開至最大，使泵管壓差為零，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。其系統(tǒng)是將變頻器的熱風(fēng)通過風(fēng)道直接通過空冷裝置進(jìn)行熱交換，由冷卻水直接將變頻器散失的熱量帶走。空冷裝置內(nèi)冷水溫度低于24℃，可以將變頻器室內(nèi)的環(huán)境溫度控制在40℃以下，滿足變頻器對(duì)環(huán)境運(yùn)行的要求，從而保證了變頻器室內(nèi)良好的運(yùn)行環(huán)境。

1.1.2 設(shè)計(jì)改進(jìn)

以某注水站為例，該注水站為4個(gè)注入站的注入井及系統(tǒng)管網(wǎng)供水，共有6臺(tái)注水泵，1#、2#、3#為深度水泵，4#、5#、6#為污水泵，注水泵的型號(hào)及容量為DF250－150×11，額定揚(yáng)程1650 m。由于聚驅(qū)系統(tǒng)區(qū)塊內(nèi)注入井配注水量調(diào)整較快，為了滿足注水工況要求，同時(shí)保證注水電動(dòng)機(jī)不過載，注水泵在沒有采取任何措施的情況下，只能靠關(guān)小泵出口閥門來調(diào)節(jié)泵的運(yùn)行[1]。水泵經(jīng)關(guān)閥調(diào)節(jié)后，在小流量、高揚(yáng)程（與原工況相對(duì)比）的工況下運(yùn)行，導(dǎo)致5#泵管壓差增大，高達(dá)1.3 MPa，注水泵單耗較高，因此，對(duì)5#泵注水進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

主要采取的措施是對(duì)該站5#注水泵安裝移動(dòng)式空水冷高壓變頻，并在該站的冷卻水水量和揚(yáng)程均滿足設(shè)備運(yùn)行的情況下，從原有冷卻系統(tǒng)中連接新的冷卻水管線，為高壓變頻器進(jìn)行冷卻，保證高壓變頻器的穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行。室內(nèi)外設(shè)計(jì)改造示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 室外設(shè)計(jì)改造示意圖

表1 某注水站變頻器安裝前后耗電對(duì)比

圖2 室內(nèi)設(shè)計(jì)改造示意圖

1.1.3 節(jié)能效果分析

1）注水單耗下降明顯，節(jié)能效果顯著。該注水出站壓力由安裝前的17.04 MPa下降到15.5 MPa，頻率由50 Hz下降到45.2 Hz，注水單耗由7.820 kWh/m3下降到6.561 kWh/m3（表1），下降了16%，平均日節(jié)電1.14×104kWh，節(jié)省電費(fèi)0.73萬元。按年運(yùn)行300 d計(jì)算，可年節(jié)約電費(fèi)219萬元，節(jié)電效果顯著，投資回收期為2.6 a。

2）運(yùn)行狀態(tài)良好，冷卻效果理想。該注水站高壓變頻器于2003年3月正式投運(yùn)，運(yùn)行狀態(tài)良好，解決了其他同類產(chǎn)品存在的散熱問題，室外溫度25℃時(shí)，室內(nèi)僅為15℃。運(yùn)行至今，除因注水泵檢修停機(jī)外，未曾發(fā)生任何停機(jī)事件，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，完全實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)。現(xiàn)場安裝方式見圖3和圖4。

圖3 變頻器控制屏

通過采用變頻調(diào)速的方法調(diào)整注水泵的運(yùn)行狀態(tài)，可以有效地降低甚至消除注水泵出口節(jié)流損失，同時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)最優(yōu)控制理論，通過調(diào)整注水站的注水泵運(yùn)行參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)能量損失最小，從而使整個(gè)注水系統(tǒng)高效運(yùn)行[2]。

圖4 變頻器主體及板房

1.2 采用更新、拆級(jí)及調(diào)參方式改造注水泵

1.2.1 技術(shù)原理

更換供注能力不匹配的注水泵，并逐步實(shí)現(xiàn)注水泵流量與壓力的梯級(jí)配備，增加注水站注水能力的適應(yīng)性，拓展適應(yīng)期，或?qū)⒗匣⑺酶聻楦咝ё⑺谩?/p>

1.2.2 設(shè)計(jì)改進(jìn)

1）針對(duì)運(yùn)行時(shí)間超過10年的注水站存在注水單耗高、泵效低、泵管壓差大等問題，對(duì)注水泵進(jìn)行更新設(shè)計(jì)。更新方式有原址新建和近距離異地新建兩種方式，近距離異地新建雖然能夠從根本上解決注水泵等設(shè)施老化及站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行存在的問題，但需要新增征地，工程量相對(duì)較大，一次性建設(shè)投資相對(duì)較高，所以通常采用原址新建的設(shè)計(jì)改進(jìn)方式，能夠徹底解決注水泵老化、管線穿孔等問題，方便生產(chǎn)管理（圖5）。

2）針對(duì)運(yùn)行時(shí)間不滿10年的注水站存在注水單耗高、泵效低、泵管壓差大等問題，采用對(duì)注水泵進(jìn)行拆級(jí)或調(diào)參設(shè)計(jì)。在原有注水泵上拆掉1級(jí)葉輪，根據(jù)離心泵的相似理論，壓力相應(yīng)降低，節(jié)能效果必然顯著。或是根據(jù)油田開發(fā)需要，將排量高的泵更換為低排量的泵，使泵能夠在高效區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到節(jié)能的目的。

1.2.3 節(jié)能效果分析

以某注水站為例，該站1984年建成投運(yùn)，建成DF300注水泵機(jī)組3臺(tái)，運(yùn)2備1，泵效為73.0%，注水單耗達(dá)6.3 kWh/m3，泵管壓差為0.5 MPa；注水泵每年至少進(jìn)行2～3次大修，注水泵運(yùn)行時(shí)能耗增加；對(duì)該站注水泵整體更新后，為了適應(yīng)油田開發(fā)的需要，又對(duì)注水泵進(jìn)行降級(jí)。目前運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著。具體運(yùn)行參數(shù)情況見表2。

表2 某注水站注水泵改造前后運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖5 某注水泵房原址新建注水泵安裝的示意圖

從表2可以看出，該站注水泵經(jīng)改造后節(jié)能效果顯著，泵效可提升到76.2%，注水單耗降至5.6 kWh/m3，泵管壓差降至0.2 MPa，可節(jié)約電量12 614 kWh/d，可日節(jié)約電費(fèi)8047.7元。

2 冷卻系統(tǒng)改進(jìn)

2.1 技術(shù)原理

采用熱泵可以把熱量從低溫抽吸到高溫[3]。冬季制熱用于采暖，制冷用于注水電動(dòng)機(jī)冷卻：將注水電動(dòng)機(jī)循環(huán)水與污水換熱串聯(lián)升溫后用做熱泵的低溫?zé)嵩?，既采暖，又冷卻了注水電動(dòng)機(jī)（圖6）；夏季制冷用于冷卻注水電動(dòng)機(jī)：將注水電動(dòng)機(jī)循環(huán)水用做熱泵的低溫?zé)嵩?，將污水換熱循環(huán)水用做高溫吸熱端，從而達(dá)到冷卻注水電動(dòng)機(jī)的目的（圖7）。

2.2 設(shè)計(jì)改進(jìn)

針對(duì)老注水站的冷卻水系統(tǒng)和采暖系統(tǒng)工藝復(fù)雜，占地面積較大，清水回注地下浪費(fèi)較多等問題，在某注水站將原有的冷卻塔冷卻工藝改造為熱泵換熱方式進(jìn)行冷卻。通過熱泵技術(shù)將原來的冷卻和采暖兩個(gè)獨(dú)立流程進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)為一個(gè)流程。（圖8）。

圖6 冬季流程

圖7 夏季流程

圖8 某注水站改造的熱泵流程

圖9 某注水站改造的熱泵機(jī)組

2.3 節(jié)能效果分析

熱泵技術(shù)投入使用后，系統(tǒng)運(yùn)行良好，實(shí)現(xiàn)一機(jī)兩用的目的，提高冷卻效果，實(shí)現(xiàn)清水循環(huán)利用，并減少天然氣使用量，簡化工藝流程（圖9），設(shè)備維護(hù)費(fèi)用較低。

經(jīng)該注水泵運(yùn)行測算，與傳統(tǒng)的鍋爐采暖、冷卻塔冷卻系統(tǒng)相比，年耗氣量減少13.35×104Nm3（Nm3=m3（0℃，101.325 kPa）），年生產(chǎn)維護(hù)費(fèi)用降低0.15萬元，節(jié)約崗位用工成本20多萬元，加上節(jié)約清水等消耗費(fèi)用，每年可節(jié)約綜合費(fèi)用63.9萬元。

3 注水管網(wǎng)改進(jìn)

3.1 優(yōu)化注水站來水管網(wǎng)

幾年來薩南油田不斷完善、優(yōu)化管網(wǎng)布局，推進(jìn)“南水北調(diào)，中水側(cè)引”調(diào)水工程，平衡污水杜絕外排。某注水站是薩南油田中水側(cè)引工程的調(diào)水樞紐站，根據(jù)目前水量的調(diào)配，該站同時(shí)接收調(diào)配7處供水，但由于建站較早，閥室大小只能滿足當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)需求，目前暫時(shí)無法接入1處供水的管線，在注水管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，采取將原有罐間閥室內(nèi)的工藝管線簡化，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)該注水站的總來水進(jìn)行計(jì)量及調(diào)配，完成注水功能。新建一座調(diào)水間，根據(jù)實(shí)際供水量調(diào)整管徑，既能同時(shí)接收8座污水站來水，又能將水外調(diào)至其他注水站回注，實(shí)現(xiàn)調(diào)配污水平衡、提高管網(wǎng)效率（圖10）。

3.2 優(yōu)化注水站出水管網(wǎng)

合理選擇注水管管徑，管徑小，流速快，超過管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)流速1.0～1.8 m/s[4]，則使管網(wǎng)磨損加大，能耗增加。首先應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、介質(zhì)特性經(jīng)濟(jì)比選后確定注水管道的材質(zhì)。其次對(duì)管徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇在管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)流速范圍內(nèi)的最優(yōu)管徑，減少三通、多通、彎頭等部件的數(shù)量，削減局部阻力損失，提高管網(wǎng)效率。最后對(duì)注水管內(nèi)壁采用防腐涂料處理，不僅可以延緩管線的腐蝕老化，而且也可以減小局部阻力。

3.3 節(jié)能效果分析

通過對(duì)注水站來水管網(wǎng)的優(yōu)化，既能滿足該注水站注水量的需求，又能滿足因每年產(chǎn)能建設(shè)鉆停、階段開發(fā)方案調(diào)整，以及臨時(shí)停電、管網(wǎng)補(bǔ)漏搶修等因素影響而外調(diào)水，對(duì)薩南油田污水平衡調(diào)配起著極為重要的作用。

圖10 調(diào)水間工藝流程

4 結(jié)論

1）截至目前，已對(duì)薩南油田4座注水站進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，分別安裝高壓變頻器4套，通過調(diào)速的方法調(diào)整注水泵的運(yùn)行狀態(tài)，日節(jié)電2.6×104kWh，節(jié)省電費(fèi)1.66萬元，按年運(yùn)行300 d計(jì)算，可年節(jié)約電費(fèi)498萬元，節(jié)電效果顯著。高壓變頻器具有占地面積小，對(duì)環(huán)境要求低，配套設(shè)施少，維護(hù)強(qiáng)度低，自身損耗隨負(fù)載減少而減少，設(shè)備價(jià)格高，一次投入成本大等特點(diǎn)。今后選擇應(yīng)用的場所應(yīng)為負(fù)載率相對(duì)較輕且波動(dòng)較大的注水站。

2）薩南油田先后在9處辦公及站場進(jìn)行了多種低溫?zé)嵩?、多用途的?yīng)用嘗試，取得了較好的節(jié)能效果。熱泵工藝總體運(yùn)行良好，采暖效果較好，室溫始終保持在18℃左右，舒適自然，沒有烤灼感，空氣新鮮，不干燥；同時(shí)冷卻效果好，多年運(yùn)行注水機(jī)組比較穩(wěn)定，但是也存在一些問題，如板式換熱器運(yùn)行時(shí)間長易結(jié)垢，需要定期清理，如果不及時(shí)，會(huì)造成堵塞，因此需要加強(qiáng)后期運(yùn)行維護(hù)。

3）通過對(duì)注水站出水管網(wǎng)的優(yōu)化，合理調(diào)整注水管網(wǎng)，縮小供水半徑，降低注水干壓損失，提高管網(wǎng)效率[5]。但設(shè)計(jì)時(shí)要選擇腐蝕老化程度最嚴(yán)重的管線優(yōu)先更換，合理確定改造項(xiàng)目，降低管網(wǎng)能量損失，進(jìn)一步提高注水系統(tǒng)的效率。

[1]姚杰.在油田注水系統(tǒng)中應(yīng)用高壓變頻調(diào)速技術(shù)[J].電氣時(shí)代，2007（3）：90-92.

[2]劉煒光.油田離心注水泵站系統(tǒng)效率分析及節(jié)能對(duì)策[J].石油機(jī)械，2005，33（5）：73-75.

[3]丁立.熱泵技術(shù)在大慶油田供熱系統(tǒng)的應(yīng)用[J].科技專論，2015（11）：212.

[4]陸躍軍.雙河油田注水系統(tǒng)節(jié)能分析和改造方案初探[J].華北油田設(shè)計(jì)，1988（1）：39-45.

[5]任虎.梁家樓油田提高注水系統(tǒng)效率技術(shù)研究與認(rèn)識(shí)[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2012，11（11）：257-258.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.08.011

2017-04-19

（編輯 李珊梅）

侯佳榮，工程師，2007年畢業(yè)于東北石油大學(xué)（環(huán)境工程專業(yè)），從事水暖設(shè)計(jì)工作，E-mail：houjiarong@petrochina.com. cn，地址：大慶第二采油廠規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所，163414。