海上平台离心式注水泵流量调节及节能措施

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司 渤海石油研究院， 天津 300452)

0 引 言

注水泵是海上平台的重要设备之一，随着油田区块注水开发的调整，油田全生命周期的注水流量变化范围广、注水压力大，不利于注水泵的选型。注水泵是能耗大户，耗电约占生产用电的30%以上。离心式注水泵作为注水泵的最主要型式，其流量调节方法已经比较成熟，每种调节方法都有优劣势。目前国内外研究集中于离心式注水泵基础设计、详细设计中变频控制和液力耦合器的流量调节和节能效果，对“小流量、高扬程”的特殊工况研究较少。在研究离心式注水泵前期选型时，关注对注水工况的要求和设备的初始投资，因设计深度问题较少考虑设备全生命周期投资和人工维修工作量。本文对海上注水工况特点进行分析，从前期研究的角度对离心式注水泵流量调节方式进行全生命周期投资对比分析，提出合适的流量控制建议和降本增效策略，完善离心式注水泵流量选择的前期研究。

1 海上平台注水特点

海上平台注水有两个特点：(1)注水流量范围变化大且注水压力恒定，以某海上油田注水指标为例，注水流量范围为5～288 m3/h ，变化范围很大，但注水压力不变，具体注水指标如表1所示；(2)注水工况中某些年份存在小流量、高扬程的苛刻工况，极不利于注水泵的选型和正常工作。

表1 某海上油田注水指标

2 离心式注水泵流量控制方法比选

2.1 流量控制方法比选

根据海上平台注水流量变化范围广、注水压力恒定、注水管路阻力大、注水工况连续等特点，注水泵一般并联使用并预留备用泵。控制流量调节的常见方式有6种：(1)直接调节出口调节阀；(2)将部分输送液体回流至泵入口缓冲罐中(打回流)；(3)减去末级叶轮，切割或更换叶轮；(4)使用变频器控制电机输出转速；(5)使用液力耦合器控制泵叶轮输入转速；(6)使用变频器或液力耦合器控制叶轮转速，并将部分输送液体回流至泵入口缓冲罐中(打回流)。其调节范围和适用性对比如表2所示。

表2 离心式注水泵流量调节方法的调节范围和适用性对比

进行离心式注水泵流量控制方法比选时，应优先考虑是否满足项目实际注水参数，并结合总投资、现有总图设计、厂家供货范围、项目实际需求等多方面综合考虑。以海上某平台为例(注水指标见表1)，平台设置3台150 m3/h扬程为160 m的离心式注水泵(注水泵前设置注水增压泵)，2用1备，流量调节设计比选结果如表3所示。

表3 某平台离心式注水泵流量调节方法对比

续表3 某平台离心式注水泵流量调节方法对比

由表3可知：方案四的全生命周期投资最低；方案二和方案六在占地和初始投资上稍占优势，虽然方案六投资占有优势但工艺流程复杂且操作维护量较多。由于平台上电器间尚有富余位置，且叶轮更换要求相对苛刻，不能保证所有厂家均能满足离心式注水泵配备两套叶轮的要求，因此从设备全生命周期及采办策略考虑，在一般情况下推荐采用方案四的“变频器+离心式注水泵”方案。

考虑到现阶段油价低迷，平台投资紧张，收益率不高，为保证项目可以按时完成设计并顺利投产，可以采用方案二。方案二的优势在于初始投资低且施工量小，在油价低迷的环境下可以帮助项目达成公司收益率要求、缩短投资回收时间，未来油价上涨，即使从全生命周期的角度看投资较大，但却能提高油田总体收益。

2.2 小流量工况

海上平台注水开发的第1～2年常会遇到小流量、高扬程的特殊工况。如果小流量工况持续时间小于6个月，建议在使用现有流量调节方式的同时采用间歇注水。这种调节方式的优势在于无需增加其他设备，节省初始投资费用，劣势在于间歇注水对采油和泵启动有影响。如果小流量工况持续时间超过6个月甚至1年以上，则建议采用流量调节范围更广的流量调节法，如果厂家有适用于小流量、高扬程的离心式注水泵，经过比选也可以采用“大泵+小泵”的注水方案。这种调节方式的优势在于可以很好地适应工艺注水参数要求，劣势在于投资较大，增加设备占地面积。

3 离心式注水泵流量调节节能措施

不同流量调节控制方法对应的节能措施不同，以表1的工况为例，具体节能方法、原理及效果如表4所示。

表4 某平台离心式注水泵流量调节节能方法

续表4 某平台离心式注水泵流量调节节能方法

根据表4的对比结果，在表1的注水工况下，变频器的节能幅度最大。主要原因是变频器的调节范围广，适用于表1的注水工况，泵能够在绝大多数注水年份中保持在最佳工况区域，故配备变频器方案最优。

节能效果与注水工况相关性很大。例如，虽然液力耦合器调节范围较小，但其调节方式缓和，能延长泵和电机的使用寿命，非常适用于大功率离心泵调节。以渤海某平台为例，其平台注水量达到2 055 m3/h，经过研究选用液力耦合调节优于变频器调节[4]。此外，考虑到大功率电机需要配备稀油站进行强制润滑，如果配置液力耦合器则无需额外为电机和泵体配置稀油站，故从占地面积的角度来看，当注水量较大且离心式注水泵电机功率大于2 000 kW时，优先考虑液力耦合器调节。

此外，还可以采用以下3种方法，从优化技术和管理方式的角度实现节能降本：

(1) 安装高压防垢机械密封装置。现场反馈泵体泄漏(机封失效)是比较常见的设备故障，主要原因为离心式注水泵采用填料密封，性能较差，人工维护工作量大，导致泵耗能高。采用高压防垢机械密封装置虽然初始投资略有增加，但可以使同工况下电流降低，减少耗电量，降低人员维护工作量。

(2) 同一油田群尽量选择同厂家同规格的离心式注水泵。可以统一购买配件，减少人员工作量。

(3) 加强技术管理。加强“注水、污水、清水”三水岗位人员技术培训，使其相互之间配合默契，保证平稳注水并使离心式注水泵运行处于最佳工况区[5]。

4 结束语

海上平台离心式注水泵的流量调节方式直接关系到采油效果和工程投资。选择流量调节方式时：首先按照注水要求，保证其可行性；其次考虑调节方法对总图布置的影响；最后考虑经济、相对简捷的调节方式。离心式注水泵的节能方式与流量调节控制方法有关，应根据不同的调节方式理性地选择节能措施，不能单纯为了节能而节能，忽视注水要求，给平台总体布置造成更大的浪费。

小流量注水工况要求苛刻，针对这种工况应考虑其出现的频率和持续时间。如果出现频率低、持续时间短，可在现有流量调节基础上采用间歇注水的方式，不建议重新进行设计；如果持续时间长，则建议在现有流量调节基础上进行改进。

离心式注水泵流量调节、小流量工况、节能措施三者间有很强的关联性，选型时应结合设备全生命周期投资、现场总图布置、注水工艺参数、当前原油价格和原油价格未来走势综合考虑。海上油田注水采油呈现“高流量、高压力”趋势，在进行注水泵流量调节时，应充分借鉴陆上油田的经验，并考虑到海上与陆上油田的差别，优化工艺流程、设备选型及布置，达到海上平台降本增效的目的。