萨南油田离心注水站节能降耗设计改进

侯佳荣（大庆油田有限责任公司第二采油厂）

萨南油田离心注水站节能降耗设计改进

侯佳荣（大庆油田有限责任公司第二采油厂）

油田注水系统主要由注水电动机、注水泵、泵出口调节阀、注水管网、注水井及冷却系统等构成，系统的总能耗除了注入地层的有效能量外主要消耗在上述的系统构成中。随着原油含水率的升高和提高采收率的需要，萨南油田注水量也在逐年增加，致使注水站生产压力、耗电量也急剧增大，因此对注水站电动机、注水泵及冷却系统的设计进行改进，采取有效措施，可以最大程度地节能降耗，提高生产效率和经济效益。

离心式注水泵；注水站；节能；降耗

萨南开发区已建注水站33座，离心式注水泵135台，其中投产年限在16年以上的注水泵29台，占总泵台数的21%。由于使用年限长，主要会出现以下3方面能耗增加的情况：当注水工况发生变化时，由于得不到及时调整，致使注水泵偏离高效区工作，注水管网效率低，注水单耗高；注水泵磨损、腐蚀、结垢严重，注水单耗增加；冷却塔内部构件腐蚀严重，夏季温度高，冷却效果不好，只能依靠更换清水维持机组冷却，消耗了大量的清水资源。

1 注水泵改进

1.1 采用变频技术改造注水泵

1.1.1 技术原理

通过可控硅对输入电流和电压导通角的控制来调节输出电源频率，实现电动机变转速运行，从而控制注水泵转速，调节注水泵流量。当该注水系统采用闭环控制时，可实现出口流量和压力按照生产需要的工况调节，泵出口阀门可开至最大，使泵管压差为零，实现节能的目的。其系统是将变频器的热风通过风道直接通过空冷装置进行热交换，由冷却水直接将变频器散失的热量带走。空冷装置内冷水温度低于24℃，可以将变频器室内的环境温度控制在40℃以下，满足变频器对环境运行的要求，从而保证了变频器室内良好的运行环境。

1.1.2 设计改进

以某注水站为例，该注水站为4个注入站的注入井及系统管网供水，共有6台注水泵，1#、2#、3#为深度水泵，4#、5#、6#为污水泵，注水泵的型号及容量为DF250－150×11，额定扬程1650 m。由于聚驱系统区块内注入井配注水量调整较快，为了满足注水工况要求，同时保证注水电动机不过载，注水泵在没有采取任何措施的情况下，只能靠关小泵出口阀门来调节泵的运行[1]。水泵经关阀调节后，在小流量、高扬程（与原工况相对比）的工况下运行，导致5#泵管压差增大，高达1.3 MPa，注水泵单耗较高，因此，对5#泵注水进行优化改进。

主要采取的措施是对该站5#注水泵安装移动式空水冷高压变频，并在该站的冷却水水量和扬程均满足设备运行的情况下，从原有冷却系统中连接新的冷却水管线，为高压变频器进行冷却，保证高压变频器的稳定、连续运行。室内外设计改造示意图如图1、图2所示。

图1 室外设计改造示意图

表1 某注水站变频器安装前后耗电对比

图2 室内设计改造示意图

1.1.3 节能效果分析

1）注水单耗下降明显，节能效果显著。该注水出站压力由安装前的17.04 MPa下降到15.5 MPa，频率由50 Hz下降到45.2 Hz，注水单耗由7.820 kWh/m3下降到6.561 kWh/m3（表1），下降了16%，平均日节电1.14×104kWh，节省电费0.73万元。按年运行300 d计算，可年节约电费219万元，节电效果显著，投资回收期为2.6 a。

2）运行状态良好，冷却效果理想。该注水站高压变频器于2003年3月正式投运，运行状态良好，解决了其他同类产品存在的散热问题，室外温度25℃时，室内仅为15℃。运行至今，除因注水泵检修停机外，未曾发生任何停机事件，设备运行稳定，完全实现了免维护。现场安装方式见图3和图4。

图3 变频器控制屏

通过采用变频调速的方法调整注水泵的运行状态，可以有效地降低甚至消除注水泵出口节流损失，同时应用系统最优控制理论，通过调整注水站的注水泵运行参数，能够实现系统能量损失最小，从而使整个注水系统高效运行[2]。

图4 变频器主体及板房

1.2 采用更新、拆级及调参方式改造注水泵

1.2.1 技术原理

更换供注能力不匹配的注水泵，并逐步实现注水泵流量与压力的梯级配备，增加注水站注水能力的适应性，拓展适应期，或将老化注水泵更新为高效注水泵。

1.2.2 设计改进

1）针对运行时间超过10年的注水站存在注水单耗高、泵效低、泵管压差大等问题，对注水泵进行更新设计。更新方式有原址新建和近距离异地新建两种方式，近距离异地新建虽然能够从根本上解决注水泵等设施老化及站内设备运行存在的问题，但需要新增征地，工程量相对较大，一次性建设投资相对较高，所以通常采用原址新建的设计改进方式，能够彻底解决注水泵老化、管线穿孔等问题，方便生产管理（图5）。

2）针对运行时间不满10年的注水站存在注水单耗高、泵效低、泵管压差大等问题，采用对注水泵进行拆级或调参设计。在原有注水泵上拆掉1级叶轮，根据离心泵的相似理论，压力相应降低，节能效果必然显著。或是根据油田开发需要，将排量高的泵更换为低排量的泵，使泵能够在高效区运转，达到节能的目的。

1.2.3 节能效果分析

以某注水站为例，该站1984年建成投运，建成DF300注水泵机组3台，运2备1，泵效为73.0%，注水单耗达6.3 kWh/m3，泵管压差为0.5 MPa；注水泵每年至少进行2～3次大修，注水泵运行时能耗增加；对该站注水泵整体更新后，为了适应油田开发的需要，又对注水泵进行降级。目前运行稳定，节能效果显著。具体运行参数情况见表2。

表2 某注水站注水泵改造前后运行参数统计

图5 某注水泵房原址新建注水泵安装的示意图

从表2可以看出，该站注水泵经改造后节能效果显著，泵效可提升到76.2%，注水单耗降至5.6 kWh/m3，泵管压差降至0.2 MPa，可节约电量12 614 kWh/d，可日节约电费8047.7元。

2 冷却系统改进

2.1 技术原理

采用热泵可以把热量从低温抽吸到高温[3]。冬季制热用于采暖，制冷用于注水电动机冷却：将注水电动机循环水与污水换热串联升温后用做热泵的低温热源，既采暖，又冷却了注水电动机（图6）；夏季制冷用于冷却注水电动机：将注水电动机循环水用做热泵的低温热源，将污水换热循环水用做高温吸热端，从而达到冷却注水电动机的目的（图7）。

2.2 设计改进

针对老注水站的冷却水系统和采暖系统工艺复杂，占地面积较大，清水回注地下浪费较多等问题，在某注水站将原有的冷却塔冷却工艺改造为热泵换热方式进行冷却。通过热泵技术将原来的冷却和采暖两个独立流程进行改进，设计为一个流程。（图8）。

图6 冬季流程

图7 夏季流程

图8 某注水站改造的热泵流程

图9 某注水站改造的热泵机组

2.3 节能效果分析

热泵技术投入使用后，系统运行良好，实现一机两用的目的，提高冷却效果，实现清水循环利用，并减少天然气使用量，简化工艺流程（图9），设备维护费用较低。

经该注水泵运行测算，与传统的锅炉采暖、冷却塔冷却系统相比，年耗气量减少13.35×104Nm3（Nm3=m3（0℃，101.325 kPa）），年生产维护费用降低0.15万元，节约岗位用工成本20多万元，加上节约清水等消耗费用，每年可节约综合费用63.9万元。

3 注水管网改进

3.1 优化注水站来水管网

几年来萨南油田不断完善、优化管网布局，推进“南水北调，中水侧引”调水工程，平衡污水杜绝外排。某注水站是萨南油田中水侧引工程的调水枢纽站，根据目前水量的调配，该站同时接收调配7处供水，但由于建站较早，阀室大小只能满足当时的生产需求，目前暂时无法接入1处供水的管线，在注水管网设计时，采取将原有罐间阀室内的工艺管线简化，实现对进该注水站的总来水进行计量及调配，完成注水功能。新建一座调水间，根据实际供水量调整管径，既能同时接收8座污水站来水，又能将水外调至其他注水站回注，实现调配污水平衡、提高管网效率（图10）。

3.2 优化注水站出水管网

合理选择注水管管径，管径小，流速快，超过管网经济流速1.0～1.8 m/s[4]，则使管网磨损加大，能耗增加。首先应根据设计压力、设计温度、介质特性经济比选后确定注水管道的材质。其次对管径进行优化设计，选择在管网经济流速范围内的最优管径，减少三通、多通、弯头等部件的数量，削减局部阻力损失，提高管网效率。最后对注水管内壁采用防腐涂料处理，不仅可以延缓管线的腐蚀老化，而且也可以减小局部阻力。

3.3 节能效果分析

通过对注水站来水管网的优化，既能满足该注水站注水量的需求，又能满足因每年产能建设钻停、阶段开发方案调整，以及临时停电、管网补漏抢修等因素影响而外调水，对萨南油田污水平衡调配起着极为重要的作用。

图10 调水间工艺流程

4 结论

1）截至目前，已对萨南油田4座注水站进行设计改进，分别安装高压变频器4套，通过调速的方法调整注水泵的运行状态，日节电2.6×104kWh，节省电费1.66万元，按年运行300 d计算，可年节约电费498万元，节电效果显著。高压变频器具有占地面积小，对环境要求低，配套设施少，维护强度低，自身损耗随负载减少而减少，设备价格高，一次投入成本大等特点。今后选择应用的场所应为负载率相对较轻且波动较大的注水站。

2）萨南油田先后在9处办公及站场进行了多种低温热源、多用途的应用尝试，取得了较好的节能效果。热泵工艺总体运行良好，采暖效果较好，室温始终保持在18℃左右，舒适自然，没有烤灼感，空气新鲜，不干燥；同时冷却效果好，多年运行注水机组比较稳定，但是也存在一些问题，如板式换热器运行时间长易结垢，需要定期清理，如果不及时，会造成堵塞，因此需要加强后期运行维护。

3）通过对注水站出水管网的优化，合理调整注水管网，缩小供水半径，降低注水干压损失，提高管网效率[5]。但设计时要选择腐蚀老化程度最严重的管线优先更换，合理确定改造项目，降低管网能量损失，进一步提高注水系统的效率。

[1]姚杰.在油田注水系统中应用高压变频调速技术[J].电气时代，2007（3）：90-92.

[2]刘炜光.油田离心注水泵站系统效率分析及节能对策[J].石油机械，2005，33（5）：73-75.

[3]丁立.热泵技术在大庆油田供热系统的应用[J].科技专论，2015（11）：212.

[4]陆跃军.双河油田注水系统节能分析和改造方案初探[J].华北油田设计，1988（1）：39-45.

[5]任虎.梁家楼油田提高注水系统效率技术研究与认识[J].石油天然气学报，2012，11（11）：257-258.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.08.011

2017-04-19

（编辑 李珊梅）

侯佳荣，工程师，2007年毕业于东北石油大学（环境工程专业），从事水暖设计工作，E-mail：houjiarong@petrochina.com. cn，地址：大庆第二采油厂规划设计研究所，163414。