基于TRIZ理论的降低离心泵单耗的研究

2016-05-04大庆油田有限责任公司第六采油厂李琪彤黑龙江省技术创新方法研究会张颖吴永志

科技创新与品牌 2016年1期

文/大庆油田有限责任公司第六采油厂李琪彤黑龙江省技术创新方法研究会张颖吴永志

基于TRIZ理论的降低离心泵单耗的研究

文/大庆油田有限责任公司第六采油厂李琪彤
黑龙江省技术创新方法研究会张颖吴永志

摘要：对油田注水系统现状进行了调查和分析，注水系统是油田耗电大户,注水单耗是衡量注水系统能耗重要指标,部分注水电机注水单耗偏高,注水系统效率偏低，该文通过分析，有针对性地提出降低注水单耗的技术和管理措施，对降低注水系统能耗，提高系统效率有积极的意义。

关键词：注水系统；单耗；效率；降低

油田开发后期，注水开发在油田生产中起决定性作用，高压离心泵（多级离心泵P＞4.0MPa）主要用于油田注水，为油田注水提供注水压力。然而注水泵在油田耗电设备中耗电量所占比例过大，具有较大节能潜力。在技术革新、更新的形势下，要求我们在实际生产中，注重科学管理，实施技能改造，以降低注水泵单耗为目标，从而实现降本增效的目的。

1 发明问题初始形势分析

1.1当前系统的功能及组成：当前注水系统主要由污水来水、管道、储水罐、高压注水泵、注水管网组成。

1.2当前系统的工作原理（配图）：靠高速旋转的叶轮，带动液体高速旋转，又利用离心力的原理将液体甩出，从而实现输送液体的目的。

1.3存在的主要问题：

①泵管压差大。泵压与注水管线压力之间存在较大压差，泵管压差大，必须靠控制出口阀门来保证注水管网的注水压力，这样既造成大量的电能被白白消耗，同时又由于泵压较高，对机泵的运行影响较大。

②泵效低。泵效和单耗是相互联系的，产生同样流量和扬程，泵效低消耗的能源越大，相反，泵效高能量损失小。由离心泵的性能特性曲线η—Q可知，随着泵排量的增加泵效逐渐上升，当上升到最高点后随着排量的增加泵效随之降低。泵效达到的最高点称为最佳工况点，这一点所对应的扬程、泵效、排量、轴功率等参数称之为最优参数。但是注水量波动较大，人为控制很难找到工况点。

③泵压的影响。单耗虽然由耗电量除以注水量得出，但由于泵站泵压控制可直接影响注水泵的注水量和耗电量，因而也就影响了注水单耗的大小。无压负荷的情况下，随着泵压的升高，单耗值是随着上升的，泵压越高，单耗增长越大。压负荷情况下，单泵单耗随泵压升高，也就是随着压负荷程度的加深单耗值上升越快，且大于不压负荷时的上升速度。

④管线及泵内部元件结垢腐蚀。由于所注水质一般为普通污水，致使管线及泵内部元件结垢腐蚀严重，造成叶轮腐蚀，出现砂眼、空洞，口环间隙过大等，泵进口管线结垢腐蚀都影响注水效率。

1.4技术参数：

①注水单耗计算公式：

式中DH—注水单耗，kW·h/m3；

W—注水站电动机耗电量，kW·h；

V—注水泵输出水量，m3。

②离心泵性能特性曲线。

1.5问题解决目标：合理降低高压注水泵实际过高的单耗。

1.6限制条件：

①生产管理制约。实际生产中，日注水量是一个波动较大的参数，特别是高压注水系统。注水井受生产管理者的制约，开关现象频繁，注水量昼夜变化较大。

图1　离心泵系统的九屏图

②生产成本制约。实际生产环境中，生产改造成本有限，一些消耗成本较大的设备或者方案无法实行。

③工艺流程制约。原设备只能定速运行，所以只能靠调节阀门开度来调节注水量大小，调节方法较单一。

1.7详细列出目前解决的方案或类似产品的解决方案或已有专利，并分析存在问题：

加装集散控制系统。根据注水站工艺流程，在整个系统中设置多项监控点（温度、压力、流量、液位），并在这些测控点上安装传感器，将现场的物理变化量转换为电信号传送给控制中心（可编程控制器和工业计算机可编程技术和强大的组态软件），对整个系统进行实际监控。实现对注水泵出口阀门的开闭度进行无极同步调速，同时对参数的监测、计算、优化控制注水泵在高效区运行。

存在的问题：整个集散系统安装下来耗费成本高、技术难度大。

2 利用TRIZ工具分析问题

2.1九屏图（见图1）

提出的技术方案：

方案1：加装变频器提高系统智能程度。

2.2因果链分析（见图2）

确定解决问题的关键问题：见黄色部分。

提出技术方案：

方案1：改善注水水质。

方案2：在输送及储存介质中加入缓蚀剂降低腐蚀程度。

方案3：润滑油中添加耐磨剂。

方案4：重新调整机泵同心度。

2.3资源分析（见表1）

提出技术方案：

方案1：加装变频器。

方案2：将固定泵房变成“可移动”。

3 运用TRIZ工具解决问题

3.1最终理想解（见表2）

提出技术方案：

方案1：加装前置泵，采用变频调速技术。

3.2技术矛盾

①原问题技术矛盾的表述：（见图3）

确定要解决的技术矛盾为 TC-1，它发生在（管线设备结垢现象会降低）与（冬季管线会冻堵）之间，发生在（输送介质温度低）的时候。

图2　因果链分析

表1　资源分析

表2　最终理想解

图3　原问题技术矛盾的表

②问题模型—对应的39个通用工程参数

改善的参数：30作用于物体的有害因素

恶化的参数：35适应性

③解决方案模型

对应查看阿奇舒勒矛盾矩阵表得到参考创新原理为：

35性能转化法

11预制防范法

22变害为利法

31孔化法

提出技术方案：

方案1：定期在污水管线中加入无机磷酸盐等油田常用防垢剂（性能转化法）。

方案2：冬天在露天管线外部包裹防冻材料如毛毡（预制防范法）。

方案3：在管线中分段增加可清理小孔滤网夹层（孔化法）。

3.3物理矛盾

①确定物理矛盾：

（输送介质温度）应该（A+ 低），以满足（管线设备结垢）要求；（输送介质温度）应该（A- 高），以满足（冬季管线不会冻堵）要求。

②拟采用分离原理

空间分离：

提出技术方案：在管线露天部分增加电伴热带适当调节温度。

时间分离：

提出技术方案：冬天在露天管线外部包裹防冻材料如毛毡。

整体与部分分离：

提出技术方案：在管线内外层中间加入隔热良好的材料，内部加入内置式液体降温器，外部加电伴热保证外部温度，使内部水质低温，外部管线高温，高温不会向低温传导。

方案1：在管线露天部分增加电伴热带适当调节温度。

方案2：冬天在露天管线外部包裹防冻材料如毛毡。

方案3：在管线内外层中间加入隔热良好的材料，内部加入内置式液体降温器，外部加电伴热保证外部温度，使内部水质低温，外部管线高温，高温不会向低温传导。

3.4物场模型

提出技术方案：在输送及储存介质中加入缓蚀剂降低腐蚀程度。

技术方案：

方案1：在输送及储存介质中加入缓蚀剂降低腐蚀程度。

方案2：在轴瓦中间加装新材质提高润滑和保护特性。

方案3：加装液位警报装置。

方案4：加装集散控制系统。

方案5：在输送及储存介质中加入缓蚀剂降低腐蚀程度。

4 技术方案整理与评价

4.1全部技术方案

方案1：改善注水水质。

方案2：在输送及储存介质中加入缓蚀剂降低腐蚀程度。

方案3：润滑油中添加耐磨剂。

方案4：重新调整机泵同心度。

方案5：将固定泵房变成“可移动”。

方案6：加装前置泵，采用变频调速技术。

方案7：定期在污水管线中加入无机磷酸盐等油田常用防垢剂。（性能转化法）

方案8：冬天在露天管线外部包裹防冻材料如毛毡。（预制防范法）

方案9：在管线中分段增加可清理小孔滤网夹层。（孔化法）

方案10：在管线露天部分增加电伴热带适当调节温度。

方案11：在管线内外层中间加入隔热良好的材料，内部加入内置式液体降温器，外部加电伴热保证外部温度，使内部水质低温，外部管线高温，高温不会向低温传导。

提出技术方案：在轴瓦中间加装新材质提高润滑和防护特性。

提出技术方案：加装液位警报装置

提出技术方案：加装集散控制系统。

方案12：在轴瓦中间加装新材质提高润滑和保护特性。

方案13：加装液位警报装置。

方案14：加装集散控制系统。

方案消除矛盾产生新的危害成本　复杂性可行性总分　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