污水站污水泵節能途徑的研究

李延華 畢新忠 顧永強 中國石化勝利油田分公司孤東采油廠 中國石化勝利油田分公司樁西采油廠

1 前言

油田污水系統采用的離心泵型主要是單級雙吸系列泵，當污水處理系統出現收油、排泥等工作時，污水的外輸液量就會發生較大的波動，有時是一臺小排量運行，有時是多臺的泵并聯大排量運行，以此來滿足生產的需要。外輸水量的變化勢必引起管路性能曲線的變化。隨著油田注聚、注汽等三次采油技術的應用，污水中的含油量和懸浮物、泥砂的含量在不斷升高，污水站的收油、排泥的頻率隨之上升，外輸污水的流量波動也更加頻繁。

2 污水管路特性曲線

污水處理站，外輸污水采用單級雙吸型離心泵，輸送距離0.5～5km不等。一般情況下，污水外輸泵的揚程，等于注水站緩沖罐液位高度，高差和沿程磨阻之和，可表示為：

式中：H－泵的揚程力，m；

H0－注水站緩沖罐液位高度，m；

H1－污水泵到注水站的高差引起的壓力差，m；

S－管路特性系數，與管路系統的沿程阻力與局部阻力以及幾何形狀有關，s2/m5。

通常情況下，H1=0，（1）式簡化為：

將流量Q與壓頭G的關系繪制在坐標圖上，就得到管路特性曲線（圖1）。由于泵的型號、使用年限、機械磨損程度的不同，其特性發生的變化，都能引起管路特性的變化。它是一條在H軸上截距等于H0的拋物線。只要已知某一泵出口壓力、流量和污水壓力，便可反求出管路特性系數S。需要注意的是，管路特性系數隨管路上閥門開啟度等因素變化。

3 污水泵的并聯運行

通常情況下，污水站污水泵是并聯運行的。兩臺特性相近的并聯引起的管路特性變化如圖2所示。

圖2表示兩臺泵（兩臺型號、轉數宜相同）并聯運行時。由圖看出，兩臺泵并聯運行時，管路特性平坦，則比較有利，因為這時可使總流量Q1+2接近單泵單獨工作時的流量之和，泵效也都達到了65%以上。

進行工況分析：G為管路曲線，它與泵聯合總性能曲線的交點B，就是并聯運行的工作點，其流量為Q1+2，它代表聯合運行的最終效果；過B點做水平虛線與各泵性能曲線交于C和D，它們代表參加聯合運行時每臺泵所“貢獻”的工況，各自所提供的流量是Q1與Q2A。

可得出結論：兩泵并聯運行時均未發揮出單泵的能力，并聯總流量小于兩單泵單獨運行的流量和。說明兩泵并聯都受到了“需共同壓頭”的制約。

單級雙吸系列污水泵是高比轉數泵，也就是排量較大，而泵壓較低，特性曲線較平緩，排量變化時泵壓變化較小。當兩臺泵的揚程相差很大，不能直接并聯工作。

綜上所述，通過泵并聯以增加管網流量或通過開、停并聯泵臺數跳躍式地調節管網流量的作法，對管路曲線較平坦的系統最有利，一般情況下應少用并聯運行，但目前油田污水系統中，多臺污水泵并聯已廣為采用，此時，宜采用相同型號及轉數的污水泵。

4 污水泵變頻調速運行

在不同型號及轉數的污水泵并聯運轉時，尤其是揚程重疊的范圍較窄時，可以考慮使用變頻調速裝置。油田污水系統工作協調關系如圖3所示。

以污水站分水器為系統節點，可以把污水系統分為污水泵和污水管網兩個子系統。圖3描述了兩個子系統工作的壓力與流量關系，圖中曲線I是污水泵在額定轉速η1下的特性曲線，曲線Ⅱ是污水泵在轉速η2下的特性曲線。曲線Ⅲ是管網特性曲線，而曲線Ⅳ是改變管網中閥門開啟程度后的管網特性曲線。曲線Ⅴ是轉速為η1時泵的效率曲線，曲線Ⅵ是轉速為η2時泵的效率曲線。

曲線Ⅰ與Ⅲ的交點A為污水泵子系統與污水管網子系統的工作協調點，污水系統在A點的壓力和流量下工作。如果油田污水需要的流量減小，傳統的方法是調節污水管網上的節流閥門，改變污水管網特性曲線，使工作協調點偏移，如圖中B點是當閥門開度減小時，受其節流作用，泵后管網流動阻力增加，污水泵運行點沿恒轉速曲線Ⅰ的A點上升到B點，從而使泵出口壓力升高，流量減少。同時，污水泵的工作效率沿曲線Ⅴ從最高點下降到M點。此時耗電量減少不多，而效率下降較大。

例如，對于10SH-6A型泵，當通過閥門控制流量從340m3/h減少到270m3/h時，則出口壓力將由100%增加到101.69%，泵效率η由67.8%降為57.9%，由泵功率公式(2)可得，能耗變化為：

這說明通過閥門調節，排量降低到原來的80%，將節能9.9%。

通過變頻技術控制流量時，由于閥門全開，只改變水泵轉速而不改變泵后管網阻力，因此當污水泵轉速降低時，其H-Q曲線下移，運行點將由A點沿管網特性曲線Ⅲ降到C點，從而使污水泵流量減少，出口壓力降低，同時效率曲線隨轉速的改變由Ⅴ移到Ⅵ，污水泵始終工作在最大效率附近，其比閥門調節方式節省能耗如圖中陰影部分所示。通過變頻控制流量同樣從340m3/h減少到270m3/h，出口壓力降低到64%，泵效率維持在67.61%，能耗減少量卻變為：

這說明采用變頻調速，排量降低到原來的80%，將節能48.8%（表1）。

表1 變頻調節與閥門調節性能對比表

通過閥門調節，排量降低到原來的80%，將節能9.9%。采用變頻調速，排量降低到原來的80%，將節能48.8%。

通過變頻技術控制流量時，只改變水泵轉速而不改變泵后管網阻力，因此當污水泵轉速降低時，運行點將由A降到C點，從而使污水泵流量減少，出口壓力降低，同時效率由η1改變移到η，污水泵始終工作在最大效率附近。

此外，采用變頻調速，調節方便，適應油田對污水量和壓力的要求，還可以使供電電網的功率因數增大，無需相位補償。交流傳動具備智能控制功能，可以對電機進行全面保護，還可以減少機器部件磨損，減小管線噪聲，減少維護費用。減小啟動波動，保護電機和電網。以上推算尚未考慮電機效率。

5 結束語

油田污水外輸離心泵盡可能選擇大排量型號，減少并聯臺數；盡可能使并聯污水離心泵特性一致，尤其是選擇壓頭相近的泵并聯。因污水罐收油、排泥等工作，對外輸水量影響較大時，盡可能起運變頻器控制的外輸泵，以達到節能的目的。