油田注水设备的优选

许文龙 王宝月 吴水柱 崔兵兵(中国石油天然气管道工程有限公司天津滨海分公司 天津 300280)

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。

表1 ηm与ns关系数据表

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 泵恒转速与变频调速运行参数对照表

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105 m3/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。

三、两种泵型的比较

柱塞泵与离心泵相比，运行效率至少高10个百分点，年节电量近15%。以注入量70L/s，注水系统压力20MPa为例进行比较，结果见表3。

表3 运行离心泵与柱塞泵耗电量对照表

运行柱塞泵，泵效高，单台排量较小，使用比较灵活，可选择1～2台变频运行，变频设备投资不高，节能效果较好，便于控制。但设备数量多，需厂房面积较大，易损件较多，维修工作量较大。

运转离心泵，设备数量少，维修工作量小。但由于单台设备较大，排量调节不是很灵活，电机变频设备投资较大，不经济。

通过上述分析比较，可得出油田注水设备的选择原则：对建设用地限制不严时，应尽量优选柱塞泵，而当对建设用地严格限制时（如海上平台），应优选离心泵。