油田注水泵节能降耗技术研究及应用
摘要：注水泵是油田厂注水生产系统的关键设备，通过应用节能降耗技术、优化注水泵运行参数，不仅能够有效提高了注水泵机组效率，还能大幅降低注水系统用电能耗，对油田原油生产“有质量、有效益、可持续”发展具有重要意义。
注水采油是油田提高原油采收率的主要方法，注水可弥补原油采出后所造成的地下亏空，保持合理的地层压力。注水泵是油田注水系统中的重要设备，是油田注水生产系统的动力之源。A厂油田开发生产已进入中、后期，注水量和注水压力持续上升，采出水回注量持续增加，造成原有注水泵维修频次高、泵效低、能耗高。面对油价持续低迷、生产成本大幅削减严重形势，A厂积极引进并应用注水泵节能降耗技术，优化注水泵运行参数，不仅有效提高了注水泵机组效率，全面提升了注水生产系统效率，大幅度降低注水系统用电能耗，对油田原油生产“有质量、有效益、可持续”发展具有重要意义。
1 A厂注水泵运行现状
A厂共有注水井2389口，开井2190口，日注水量65887方，2016年注水量达到2267万方，现有注水站78座，在用注水泵撬295台（套），其中污水注水泵134台，清水注水泵161台，电动机总容量5.4万KW，注水单耗6.8KW.h/m3，其中注水系统用电量约占总用电量的30%。
注水泵能耗损失较高的主要原因有四个方面，一是采出水对注水泵液力端泵阀腐蚀严重，造成原设计为清水的注水泵液力端维修频次高、泵效低；二是注水泵和站点注水量不匹配，使高压水打回流，造成电能浪费；三是站点配注量变化后，注水泵的运行方式没有及时结合配注量进行调整，无法使注水泵在最佳状态下运行。四是注水泵电机不符合《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》（GB18613-2012）要求，电机自身能耗较高。
图1 A厂历年注水量情况
2 注水泵节能降耗技术
2.1 主要应用的技术
2.1.1 节能高效注水泵的应用
由于注采出水过程中受水质腐蚀、含颗粒物等因素影响，造成注水泵液力端配件机械磨损严重、维修频繁，排量下降、泵机组效率低于节能监测限定值，普通分体式阀组无法适应注采出水要求，出现液力端主要配件使用寿命不足120小时，远低于设计寿命720小时的要求。
A厂通过研究并引进节能液力端，该液力端采用“T”字型结构液力端结构，T型孔较十字孔能大幅度缓解工作腔内倒角及其附近的应力集中现象；螺旋导向复合密封锥形组合阀组，金属阀板锥面上结合非金属密封材料，改善了密封性能；阀芯导向翼从直线型过渡到带一定角度型，可使阀芯在上下运动时360°稍有转动，使阀结合面均匀磨损，自行修复，提高阀的寿命；柱塞自动调心技术、柱塞填料密封同步隔离技术、蓄能器的改进、改性密封组件等技术，延长液力端主要配件使用寿命达到2800小时以上，有效提高了注水泵泵效，降低了注水泵液力端维修频次。
图2新型泵阀结构图和实物照片
截止2017年先后改造65台注水泵机组，经长庆技术监测中心（依据SY/T 6275-2007《油田生产系统节能监测规范》）对柳三转等24台注水泵进行改造前后能耗监测，对比24台注水泵监测结果表明，改造前注水泵平均机组效率72.28%，改造后注水泵平均机组效率80.55%，项目改造使注水泵机组效率平均提高8.27%。以机组效率和耗电量计算节能量，合计节电量为248.91×104kW·h/a，折算综合节能量为831.36tce/a。表1、表2为长庆油田环境与节能监测评价中心的注水泵改造前后节能监测 告数据对比情况。
图3注水泵液力端结构及实物图
2.1.2 高耗能注水泵电机更换
高效电机的定义：高效电机指达到或优于《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》（GB18613-2012）标准中节能评价值的电机。高效电机通过降低电动机定子绕组电阻损失、电动机转子绕组电阻损失、电动机铁耗损失、电动机杂散损失、电动机摩擦损失及流动损失，提高电动机效率。我国目前广泛应用的Ｙ系列电动机效率平均值为87.3％；高效电动机的效率平均值为90.3％，超高效电动机其效率平均值为91.7％。
A厂2017年通过对 91台Y系列注水泵电机（总功率为19590KW）更换为 2级的高效节能电机后，有效提高了注水泵电机效率。
改造后电机效率提高3%，按照平均负载率80%，利用率0.7计算，每年可节约电量=19590×24×365×3%×80%×0.7=288.3万kW·h，节约电费=288.3×0.64=184.52万元。
图4高效节能电机安装实物图
2.1.3 注水自动稳压系统应用
截止到目前A厂已实现110台注水泵压力自动调节，该系统具备了较高的可靠性和稳定性，安装后可实现完全关闭回流注水，通过自动稳压系统闭环调节注水压力，大幅度减少注水机泵和阀门的维修费用，减轻人员的劳动强度，达到提高注水系统效率和节能降耗的目的。
图5自动稳压状态下压力、频率反馈曲线
2.1.4 局部增压技术应用
对于个别井注水压力高的情况采用局部安装注水撬或增压泵，不需要注水系统整体升压改造，可以降低投资，达到节能降耗的目的。A厂自2008年开始在塞392区产建使用第一台注水撬，经过8年的试点、推广，目前已在全厂13个作业区推广使用不同型号的各种注水撬60台。
2.2 优化注水泵运行参数
由于注水泵现场配注量的调整，以及注水泵安装后参数通过变频器（控制柜）调节范围小，往往造成注水泵设备无法在最佳的综合效率下运行。因此，在生产运行过程中需要对注水泵的参数结合每个站点的配注量和注水压力、以及注水泵本身的负荷情况进行优化，实现注水泵在节能、高效状态下运行。
注水泵参数优化改造参考依据：
注水泵理论排量=3.14*直径2/4*冲程*冲次*缸数*60
注水泵电机功率=排量*压力*0.287*1.25
窄V带小皮带轮最小有效直径：9N/9J≥67mm，15N/15J≥180mm，25N/25J≥315mm
功率和转速关系：P1/P2=（n1/n2）2
2.2.1 改变注水泵缸数调节注水泵排量
改造前数据：
大水坑盐一转注水泵型号：5ZB400-35/25A，额定排量：35m3/h，额定压力25MPa；配注量：14m3/h，泵出口压力：21MPa，配套有变频器并安装有自动稳压系统;关闭回流情况下，变频器运行频率为20HZ，运行过程频繁因变频器输出电流过高（超过550A）自动保护停机，电机运行频率过低容易造成电机散热差烧坏电机，频率较低造成注水泵动力端转速较低（转速为91.6min-1）影响动力端正常润滑，进而严重影响注水泵正常运行。
改造方案：
抽掉2根柱塞，注水泵由原来的5缸泵改为3缸泵。
改造后数据：
改造后运行频率45HZ，变频器输出电流：350A，运行正常。
改造后优点：
1、降低了注水泵额定排量，提高电机转速，保证注水泵动力端合理润滑。2、相比降低柱塞直径，改造成本较低，且排量调节范围大。3、预计年节电量40万KWH。
2.2.2 注水泵冲次“大改小”
2.2.2.1 皮带轮调节冲次
改造前数据：
胡尖山元二增注水泵型号：3175Pa-B3，额定排量：16.6m3/h，额定压力：20MPa，冲次：228次，电机功率：110KW，电机型号：YB2-315L1-6，配注量：7m3/h，实际注水压力：15MPa，运行电流140A，使用回流控制排量（未配套变频器，通过控制柜启动）。
改造方案：
更换一个132次（直径170毫米）的小皮带轮。
改造后数据：
改造后运行电流97A，节电量预计年节电8万KWH，节约修理费0.5万元。
改造后优点：
1、降低了注水泵额定排量，提高注水泵泵效，降低了注水泵的整体负荷。2、相比降低柱塞直径，改造成本较低，可操作性较高。
2.2.2.2 更换电机、改变电机级数调节冲次
改造前数据：
胡尖山作业区元162站注水泵型号：3175Pb-A7，额定排量：25m3/h，额定压力：20MPa，柱塞直径55mm，冲次：325次，电机功率：160KW，电机型号：Y315L-4。配注量：13m3/h，变频器频率：36HZ，注水压力：19MPa，使用回流控制排量。
存在问题：
使用变频器，同时还要开回流，因压力高频率过低时，变频器超载自动保护停机。
改造后数据：
更换一台6极160KW电机，额定转数降低33%（由1485降低到985），变频器的频率提高12HZ，同时对变频器加装PID自动稳压系统，实现自动恒压注水，完全关闭回流。
改造后优点：
台泵预计年节电10万KWH，节约修理费0.5万元。
2.3 注水泵冲次“小改大”
改造前数据：
五里湾一区南二注3台注水泵型号：5ST175-37.4/25，排量：37.4m3/h，压力：25MPa，冲次：230次，电机功率：315KW，电机型号：YFBP4002-6。配注量：76m3/h，注水压力：18-19MPa，启用3台注水泵运行（1#工频50HZ，2#33HZ，3#33HZ）。
改造方案：
由于目前配注量2台注水泵无法达到配注要求，且注水压力较低，电机负荷富余量大，更换注水泵电机皮带轮，调整为注水量为42m3/h的注水泵，冲次由230调高到257。2、对2#、3#注水泵变频器50HZ上限频率进行解锁，实现变频器频率最高上限达到60HZ。
改造后数据：
由原来启用3台注水泵改为启用2台注水泵，2台注水泵的运行频率均为54HZ，同时安装PID自动稳压系统，实现完全关闭回流自动恒压注水。
改造后节优点：
总耗电量（改造前3台注水泵电流：1#工频400A，2#370A，3#370A，改造后2台注水泵电流：2#440A，3#440A）降低260A，预计年节约电费53万元；2、通过改造停用1台注水泵，节约修理费预计2万元。
3 结论及认识
1）通过研究并引进应用先进注水泵液力端技术，延长液力端主要配件使用寿命达到2800小时以上，对比24台注水泵监测结果注水泵机组效率平均提高8.27%。
2）更换注水泵高效电机，实现注水泵电机效率提高3%；加装注水自动稳压系统，通过自动稳压系统闭环调节注水压力，实现完全关闭回流注水。
3）结合各个注水站点的实际情况，选择最优的注水泵技改方案对注水泵进行参数优化改造，使注水泵在节能、高效状态下平稳运行。
4）通过注水泵节能改造，大大延长注水泵无故障运行周期；同时通过自动稳压控制系统的应用，减少操作人员的劳动强度，为后期无人值守注水站提供硬件支撑；目前A厂部分站点注水泵可实现无人监控运行+定期保养模式，站点操作人员日常仅通过SCADA系统对单井配水情况进行调节即可，大大提高了注水泵运行效率，降低了注水泵房运行安全风险。
