薩南油田離心注水站節能降耗設計改進

侯佳榮（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

薩南油田離心注水站節能降耗設計改進

侯佳榮（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

油田注水系統主要由注水電動機、注水泵、泵出口調節閥、注水管網、注水井及冷卻系統等構成，系統的總能耗除了注入地層的有效能量外主要消耗在上述的系統構成中。隨著原油含水率的升高和提高采收率的需要，薩南油田注水量也在逐年增加，致使注水站生產壓力、耗電量也急劇增大，因此對注水站電動機、注水泵及冷卻系統的設計進行改進，采取有效措施，可以最大程度地節能降耗，提高生產效率和經濟效益。

離心式注水泵；注水站；節能；降耗

薩南開發區已建注水站33座，離心式注水泵135臺，其中投產年限在16年以上的注水泵29臺，占總泵臺數的21%。由于使用年限長，主要會出現以下3方面能耗增加的情況：當注水工況發生變化時，由于得不到及時調整，致使注水泵偏離高效區工作，注水管網效率低，注水單耗高；注水泵磨損、腐蝕、結垢嚴重，注水單耗增加；冷卻塔內部構件腐蝕嚴重，夏季溫度高，冷卻效果不好，只能依靠更換清水維持機組冷卻，消耗了大量的清水資源。

1 注水泵改進

1.1 采用變頻技術改造注水泵

1.1.1 技術原理

通過可控硅對輸入電流和電壓導通角的控制來調節輸出電源頻率，實現電動機變轉速運行，從而控制注水泵轉速，調節注水泵流量。當該注水系統采用閉環控制時，可實現出口流量和壓力按照生產需要的工況調節，泵出口閥門可開至最大，使泵管壓差為零，實現節能的目的。其系統是將變頻器的熱風通過風道直接通過空冷裝置進行熱交換，由冷卻水直接將變頻器散失的熱量帶走。空冷裝置內冷水溫度低于24℃，可以將變頻器室內的環境溫度控制在40℃以下，滿足變頻器對環境運行的要求，從而保證了變頻器室內良好的運行環境。

1.1.2 設計改進

以某注水站為例，該注水站為4個注入站的注入井及系統管網供水，共有6臺注水泵，1#、2#、3#為深度水泵，4#、5#、6#為污水泵，注水泵的型號及容量為DF250－150×11，額定揚程1650 m。由于聚驅系統區塊內注入井配注水量調整較快，為了滿足注水工況要求，同時保證注水電動機不過載，注水泵在沒有采取任何措施的情況下，只能靠關小泵出口閥門來調節泵的運行[1]。水泵經關閥調節后，在小流量、高揚程（與原工況相對比）的工況下運行，導致5#泵管壓差增大，高達1.3 MPa，注水泵單耗較高，因此，對5#泵注水進行優化改進。

主要采取的措施是對該站5#注水泵安裝移動式空水冷高壓變頻，并在該站的冷卻水水量和揚程均滿足設備運行的情況下，從原有冷卻系統中連接新的冷卻水管線，為高壓變頻器進行冷卻，保證高壓變頻器的穩定、連續運行。室內外設計改造示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 室外設計改造示意圖

表1 某注水站變頻器安裝前后耗電對比

圖2 室內設計改造示意圖

1.1.3 節能效果分析

1）注水單耗下降明顯，節能效果顯著。該注水出站壓力由安裝前的17.04 MPa下降到15.5 MPa，頻率由50 Hz下降到45.2 Hz，注水單耗由7.820 kWh/m3下降到6.561 kWh/m3（表1），下降了16%，平均日節電1.14×104kWh，節省電費0.73萬元。按年運行300 d計算，可年節約電費219萬元，節電效果顯著，投資回收期為2.6 a。

2）運行狀態良好，冷卻效果理想。該注水站高壓變頻器于2003年3月正式投運，運行狀態良好，解決了其他同類產品存在的散熱問題，室外溫度25℃時，室內僅為15℃。運行至今，除因注水泵檢修停機外，未曾發生任何停機事件，設備運行穩定，完全實現了免維護。現場安裝方式見圖3和圖4。

圖3 變頻器控制屏

通過采用變頻調速的方法調整注水泵的運行狀態，可以有效地降低甚至消除注水泵出口節流損失，同時應用系統最優控制理論，通過調整注水站的注水泵運行參數，能夠實現系統能量損失最小，從而使整個注水系統高效運行[2]。

圖4 變頻器主體及板房

1.2 采用更新、拆級及調參方式改造注水泵

1.2.1 技術原理

更換供注能力不匹配的注水泵，并逐步實現注水泵流量與壓力的梯級配備，增加注水站注水能力的適應性，拓展適應期，或將老化注水泵更新為高效注水泵。

1.2.2 設計改進

1）針對運行時間超過10年的注水站存在注水單耗高、泵效低、泵管壓差大等問題，對注水泵進行更新設計。更新方式有原址新建和近距離異地新建兩種方式，近距離異地新建雖然能夠從根本上解決注水泵等設施老化及站內設備運行存在的問題，但需要新增征地，工程量相對較大，一次性建設投資相對較高，所以通常采用原址新建的設計改進方式，能夠徹底解決注水泵老化、管線穿孔等問題，方便生產管理（圖5）。

2）針對運行時間不滿10年的注水站存在注水單耗高、泵效低、泵管壓差大等問題，采用對注水泵進行拆級或調參設計。在原有注水泵上拆掉1級葉輪，根據離心泵的相似理論，壓力相應降低，節能效果必然顯著。或是根據油田開發需要，將排量高的泵更換為低排量的泵，使泵能夠在高效區運轉，達到節能的目的。

1.2.3 節能效果分析

以某注水站為例，該站1984年建成投運，建成DF300注水泵機組3臺，運2備1，泵效為73.0%，注水單耗達6.3 kWh/m3，泵管壓差為0.5 MPa；注水泵每年至少進行2～3次大修，注水泵運行時能耗增加；對該站注水泵整體更新后，為了適應油田開發的需要，又對注水泵進行降級。目前運行穩定，節能效果顯著。具體運行參數情況見表2。

表2 某注水站注水泵改造前后運行參數統計

圖5 某注水泵房原址新建注水泵安裝的示意圖

從表2可以看出，該站注水泵經改造后節能效果顯著，泵效可提升到76.2%，注水單耗降至5.6 kWh/m3，泵管壓差降至0.2 MPa，可節約電量12 614 kWh/d，可日節約電費8047.7元。

2 冷卻系統改進

2.1 技術原理

采用熱泵可以把熱量從低溫抽吸到高溫[3]。冬季制熱用于采暖，制冷用于注水電動機冷卻：將注水電動機循環水與污水換熱串聯升溫后用做熱泵的低溫熱源，既采暖，又冷卻了注水電動機（圖6）；夏季制冷用于冷卻注水電動機：將注水電動機循環水用做熱泵的低溫熱源，將污水換熱循環水用做高溫吸熱端，從而達到冷卻注水電動機的目的（圖7）。

2.2 設計改進

針對老注水站的冷卻水系統和采暖系統工藝復雜，占地面積較大，清水回注地下浪費較多等問題，在某注水站將原有的冷卻塔冷卻工藝改造為熱泵換熱方式進行冷卻。通過熱泵技術將原來的冷卻和采暖兩個獨立流程進行改進，設計為一個流程。（圖8）。

圖6 冬季流程

圖7 夏季流程

圖8 某注水站改造的熱泵流程

圖9 某注水站改造的熱泵機組

2.3 節能效果分析

熱泵技術投入使用后，系統運行良好，實現一機兩用的目的，提高冷卻效果，實現清水循環利用，并減少天然氣使用量，簡化工藝流程（圖9），設備維護費用較低。

經該注水泵運行測算，與傳統的鍋爐采暖、冷卻塔冷卻系統相比，年耗氣量減少13.35×104Nm3（Nm3=m3（0℃，101.325 kPa）），年生產維護費用降低0.15萬元，節約崗位用工成本20多萬元，加上節約清水等消耗費用，每年可節約綜合費用63.9萬元。

3 注水管網改進

3.1 優化注水站來水管網

幾年來薩南油田不斷完善、優化管網布局，推進“南水北調，中水側引”調水工程，平衡污水杜絕外排。某注水站是薩南油田中水側引工程的調水樞紐站，根據目前水量的調配，該站同時接收調配7處供水，但由于建站較早，閥室大小只能滿足當時的生產需求，目前暫時無法接入1處供水的管線，在注水管網設計時，采取將原有罐間閥室內的工藝管線簡化，實現對進該注水站的總來水進行計量及調配，完成注水功能。新建一座調水間，根據實際供水量調整管徑，既能同時接收8座污水站來水，又能將水外調至其他注水站回注，實現調配污水平衡、提高管網效率（圖10）。

3.2 優化注水站出水管網

合理選擇注水管管徑，管徑小，流速快，超過管網經濟流速1.0～1.8 m/s[4]，則使管網磨損加大，能耗增加。首先應根據設計壓力、設計溫度、介質特性經濟比選后確定注水管道的材質。其次對管徑進行優化設計，選擇在管網經濟流速范圍內的最優管徑，減少三通、多通、彎頭等部件的數量，削減局部阻力損失，提高管網效率。最后對注水管內壁采用防腐涂料處理，不僅可以延緩管線的腐蝕老化，而且也可以減小局部阻力。

3.3 節能效果分析

通過對注水站來水管網的優化，既能滿足該注水站注水量的需求，又能滿足因每年產能建設鉆停、階段開發方案調整，以及臨時停電、管網補漏搶修等因素影響而外調水，對薩南油田污水平衡調配起著極為重要的作用。

圖10 調水間工藝流程

4 結論

1）截至目前，已對薩南油田4座注水站進行設計改進，分別安裝高壓變頻器4套，通過調速的方法調整注水泵的運行狀態，日節電2.6×104kWh，節省電費1.66萬元，按年運行300 d計算，可年節約電費498萬元，節電效果顯著。高壓變頻器具有占地面積小，對環境要求低，配套設施少，維護強度低，自身損耗隨負載減少而減少，設備價格高，一次投入成本大等特點。今后選擇應用的場所應為負載率相對較輕且波動較大的注水站。

2）薩南油田先后在9處辦公及站場進行了多種低溫熱源、多用途的應用嘗試，取得了較好的節能效果。熱泵工藝總體運行良好，采暖效果較好，室溫始終保持在18℃左右，舒適自然，沒有烤灼感，空氣新鮮，不干燥；同時冷卻效果好，多年運行注水機組比較穩定，但是也存在一些問題，如板式換熱器運行時間長易結垢，需要定期清理，如果不及時，會造成堵塞，因此需要加強后期運行維護。

3）通過對注水站出水管網的優化，合理調整注水管網，縮小供水半徑，降低注水干壓損失，提高管網效率[5]。但設計時要選擇腐蝕老化程度最嚴重的管線優先更換，合理確定改造項目，降低管網能量損失，進一步提高注水系統的效率。

[1]姚杰.在油田注水系統中應用高壓變頻調速技術[J].電氣時代，2007（3）：90-92.

[2]劉煒光.油田離心注水泵站系統效率分析及節能對策[J].石油機械，2005，33（5）：73-75.

[3]丁立.熱泵技術在大慶油田供熱系統的應用[J].科技專論，2015（11）：212.

[4]陸躍軍.雙河油田注水系統節能分析和改造方案初探[J].華北油田設計，1988（1）：39-45.

[5]任虎.梁家樓油田提高注水系統效率技術研究與認識[J].石油天然氣學報，2012，11（11）：257-258.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.08.011

2017-04-19

（編輯 李珊梅）

侯佳榮，工程師，2007年畢業于東北石油大學（環境工程專業），從事水暖設計工作，E-mail：houjiarong@petrochina.com. cn，地址：大慶第二采油廠規劃設計研究所，163414。