基于TRIZ理論的降低離心泵單耗的研究

文/大慶油田有限責任公司第六采油廠 李琪彤黑龍江省技術創新方法研究會 張穎 吳永志

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基于TRIZ理論的降低離心泵單耗的研究

文/大慶油田有限責任公司第六采油廠 李琪彤
黑龍江省技術創新方法研究會 張穎 吳永志

摘要：對油田注水系統現狀進行了調查和分析，注水系統是油田耗電大戶,注水單耗是衡量注水系統能耗重要指標,部分注水電機注水單耗偏高,注水系統效率偏低，該文通過分析，有針對性地提出降低注水單耗的技術和管理措施，對降低注水系統能耗，提高系統效率有積極的意義。

關鍵詞：注水系統；單耗；效率；降低

油田開發后期，注水開發在油田生產中起決定性作用，高壓離心泵（多級離心泵P＞4.0MPa）主要用于油田注水，為油田注水提供注水壓力。然而注水泵在油田耗電設備中耗電量所占比例過大， 具有較大節能潛力。在技術革新、更新的形勢下，要求我們在實際生產中，注重科學管理，實施技能改造，以降低注水泵單耗為目標，從而實現降本增效的目的。

1 發明問題初始形勢分析

1.1當前系統的功能及組成：當前注水系統主要由污水來水、管道、儲水罐、高壓注水泵、注水管網組成。

1.2當前系統的工作原理（配圖）：靠高速旋轉的葉輪，帶動液體高速旋轉，又利用離心力的原理將液體甩出，從而實現輸送液體的目的。

1.3存在的主要問題：

①泵管壓差大。泵壓與注水管線壓力之間存在較大壓差，泵管壓差大，必須靠控制出口閥門來保證注水管網的注水壓力，這樣既造成大量的電能被白白消耗，同時又由于泵壓較高，對機泵的運行影響較大。

②泵效低。泵效和單耗是相互聯系的，產生同樣流量和揚程，泵效低消耗的能源越大，相反，泵效高能量損失小。由離心泵的性能特性曲線η—Q可知，隨著泵排量的增加泵效逐漸上升，當上升到最高點后隨著排量的增加泵效隨之降低。泵效達到的最高點稱為最佳工況點，這一點所對應的揚程、泵效、排量、軸功率等參數稱之為最優參數。但是注水量波動較大，人為控制很難找到工況點。

③泵壓的影響。單耗雖然由耗電量除以注水量得出，但由于泵站泵壓控制可直接影響注水泵的注水量和耗電量，因而也就影響了注水單耗的大小。無壓負荷的情況下，隨著泵壓的升高，單耗值是隨著上升的，泵壓越高，單耗增長越大。壓負荷情況下，單泵單耗隨泵壓升高，也就是隨著壓負荷程度的加深單耗值上升越快，且大于不壓負荷時的上升速度。

④管線及泵內部元件結垢腐蝕。由于所注水質一般為普通污水，致使管線及泵內部元件結垢腐蝕嚴重，造成葉輪腐蝕，出現砂眼、空洞，口環間隙過大等，泵進口管線結垢腐蝕都影響注水效率。

1.4技術參數：

①注水單耗計算公式：

式中DH—注水單耗，kW·h/m3；

W—注水站電動機耗電量，kW·h；

V—注水泵輸出水量，m3。

②離心泵性能特性曲線。

1.5問題解決目標：合理降低高壓注水泵實際過高的單耗。

1.6限制條件：

①生產管理制約。實際生產中，日注水量是一個波動較大的參數，特別是高壓注水系統。注水井受生產管理者的制約，開關現象頻繁，注水量晝夜變化較大。

圖1　離心泵系統的九屏圖

②生產成本制約。實際生產環境中，生產改造成本有限，一些消耗成本較大的設備或者方案無法實行。

③工藝流程制約。原設備只能定速運行，所以只能靠調節閥門開度來調節注水量大小，調節方法較單一。

1.7詳細列出目前解決的方案或類似產品的解決方案或已有專利，并分析存在問題：

加裝集散控制系統。根據注水站工藝流程，在整個系統中設置多項監控點（溫度、壓力、流量、液位），并在這些測控點上安裝傳感器，將現場的物理變化量轉換為電信號傳送給控制中心（可編程控制器和工業計算機可編程技術和強大的組態軟件），對整個系統進行實際監控。實現對注水泵出口閥門的開閉度進行無極同步調速，同時對參數的監測、計算、優化控制注水泵在高效區運行。

存在的問題：整個集散系統安裝下來耗費成本高、技術難度大。

2 利用TRIZ工具分析問題

2.1九屏圖（見圖1）

提出的技術方案：

方案1：加裝變頻器提高系統智能程度。

2.2因果鏈分析（見圖2）

確定解決問題的關鍵問題：見黃色部分。

提出技術方案：

方案1： 改善注水水質。

方案2：在輸送及儲存介質中加入緩蝕劑降低腐蝕程度。

方案3：潤滑油中添加耐磨劑。

方案4：重新調整機泵同心度。

2.3資源分析（見表1）

提出技術方案：

方案1：加裝變頻器。

方案2：將固定泵房變成“可移動”。

3 運用TRIZ工具解決問題

3.1最終理想解（見表2）

提出技術方案：

方案1： 加裝前置泵，采用變頻調速技術。

3.2技術矛盾

①原問題技術矛盾的表述：（見圖3）

確定要解決的技術矛盾為 TC-1，它發生在（管線設備結垢現象會降低）與（冬季管線會凍堵）之間，發生在（輸送介質溫度低）的時候。

圖2　因果鏈分析

表1　資源分析

表2　最終理想解

圖3　原問題技術矛盾的表

②問題模型—對應的39個通用工程參數

改善的參數：30作用于物體的有害因素

惡化的參數：35適應性

③解決方案模型

對應查看阿奇舒勒矛盾矩陣表得到參考創新原理為：

35性能轉化法

11預制防范法

22變害為利法

31孔化法

提出技術方案：

方案1：定期在污水管線中加入無機磷酸鹽等油田常用防垢劑（性能轉化法）。

方案2：冬天在露天管線外部包裹防凍材料如毛氈（預制防范法）。

方案3：在管線中分段增加可清理小孔濾網夾層（孔化法）。

3.3物理矛盾

①確定物理矛盾：

（輸送介質溫度）應該（A+ 低），以滿足（管線設備結垢）要求；（輸送介質溫度）應該（A- 高），以滿足（冬季管線不會凍堵）要求。

②擬采用分離原理

空間分離：

提出技術方案：在管線露天部分增加電伴熱帶適當調節溫度。

時間分離：

提出技術方案：冬天在露天管線外部包裹防凍材料如毛氈。

整體與部分分離：

提出技術方案：在管線內外層中間加入隔熱良好的材料，內部加入內置式液體降溫器，外部加電伴熱保證外部溫度，使內部水質低溫，外部管線高溫，高溫不會向低溫傳導。

方案1：在管線露天部分增加電伴熱帶適當調節溫度。

方案2：冬天在露天管線外部包裹防凍材料如毛氈。

方案3：在管線內外層中間加入隔熱良好的材料，內部加入內置式液體降溫器，外部加電伴熱保證外部溫度，使內部水質低溫，外部管線高溫，高溫不會向低溫傳導。

3.4物場模型

提出技術方案：在輸送及儲存介質中加入緩蝕劑降低腐蝕程度。

技術方案：

方案1：在輸送及儲存介質中加入緩蝕劑降低腐蝕程度。

方案2：在軸瓦中間加裝新材質提高潤滑和保護特性。

方案3：加裝液位警報裝置。

方案4：加裝集散控制系統。

方案5：在輸送及儲存介質中加入緩蝕劑降低腐蝕程度。

4 技術方案整理與評價

4.1全部技術方案

方案1： 改善注水水質。

方案2：在輸送及儲存介質中加入緩蝕劑降低腐蝕程度。

方案3：潤滑油中添加耐磨劑。

方案4：重新調整機泵同心度。

方案5：將固定泵房變成“可移動”。

方案6： 加裝前置泵，采用變頻調速技術。

方案7：定期在污水管線中加入無機磷酸鹽等油田常用防垢劑。（性能轉化法）

方案8：冬天在露天管線外部包裹防凍材料如毛氈。（預制防范法）

方案9：在管線中分段增加可清理小孔濾網夾層。（孔化法）

方案10： 在管線露天部分增加電伴熱帶適當調節溫度。

方案11：在管線內外層中間加入隔熱良好的材料，內部加入內置式液體降溫器，外部加電伴熱保證外部溫度，使內部水質低溫，外部管線高溫，高溫不會向低溫傳導。

提出技術方案：在軸瓦中間加裝新材質提高潤滑和防護特性。

提出技術方案：加裝液位警報裝置

提出技術方案：加裝集散控制系統。

方案12：在軸瓦中間加裝新材質提高潤滑和保護特性。

方案13： 加裝液位警報裝置。

方案14： 加裝集散控制系統。

方案 消除矛盾 產生新的危害 成本 　復雜性 可行性 總分 　 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

圖4　系統組成示意圖

圖5　壓力和流量閉環控制系統

4.2方案評價

可實施的方案為：

方案2：在輸送及儲存介質中加入緩蝕劑降低腐蝕程度。

方案3：潤滑油中添加耐磨劑。

方案4：重新調整機泵同心度。

方案6： 加裝前置泵，采用變頻調速技術。

方案7：定期在污水管線中加入無機磷酸鹽等油田常用防垢劑（性能轉化法）。

方案8：冬天在露天管線外部包裹防凍材料如毛氈（預制防范法）。

方案13： 加裝液位警報裝置。

4.3專利預案：增加前置泵，變頻調速系統

系統組成：該系統由一臺注水泵、一臺增壓泵（中低壓）、注水泵電機、增壓泵電機、儀表監控系統、轉速控制系統、計算機控制系統、水冷潤滑系統、供電系統組成。（圖4）

工作原理：注水泵與增壓泵串接，通過轉速調節系統、計算機儀表監測系統控制增壓泵達到控制注水泵的輸出壓力和流量，從而使注水泵工作在高效區，實現自動調節的目的。（如圖5）

4.4后續問題研究：

①設備成本；

②工藝流程完善；

③技術參數測量。

責編/劉紅偉