大流量對置式高壓往復柱塞泵的推廣應用

董福生，秦樂勝，尹雪卿，荊德俠，吳文華，李營波，羅藝

（中國石化勝利油田分公司東辛采油廠，山東東營 257000）

長期以來，油田注水開發過程中由于地層壓力高，注水設備主要使用大排量離心式注水泵，而高壓離心式注水泵效率相對較低，能耗較高。為節能減排，按照中國石化集團公司關于《淘汰高耗低效電動機與所驅動設備整套治理》通知要求，中國石化勝利油田分公司東辛采油廠提出研制新型節能注水泵替代離心式注水泵注水的設想。

1 項目設計背景

東辛采油廠每天注水量約8萬m3，以離心泵在最佳工況下運行泵效為75%計算，離心泵注水平均單耗6.1 kW·h/m3，日耗電48.8萬kW·h。往復式柱塞泵泵效一般約98%，如果用往復式柱塞泵注水，平均日節電11.224萬kW·h，年節電4 096.76 kW·h，按每度電0.75元計算，可節約3 000多萬元。

離心泵受自身特性的局限，泵效低，理論泵效只有75%，裝機容量大，能耗高，不符合油田節能減排的要求，因此大力推廣應用泵效高、能耗低的注水泵尤為重要。

2 設計思路

往復式柱塞泵效率比離心泵高30%以上，而傳統往復式柱塞泵，單置、單軸伸造成泵體積龐大，既占用空間又難維護。困擾大流量柱塞泵的設計難點是流量與體積的正比關系。在廣泛調研和反復論證的基礎上，提出了柱塞泵對置雙作用的設計新概念，從理論上解決了傳統柱塞泵體積大的難點。

3 設計優勢

3.1 對置式高壓往復柱塞泵的工作原理

3.1.1 原理簡介

傳統單柱塞往復泵曲軸轉一周360°，一個柱塞做往復運動，使液力端的高低壓倉有序開合，完成液體由低壓變高壓的過程，最后液體以較高的壓力排入管道。新型5DW150/16大流量對置式高壓往復柱塞泵（以下簡稱對置式柱塞泵）采用10個柱塞水平對置平均分布在曲軸箱體兩端，曲軸每旋轉36°，就有一個柱塞做往復運動，該結構沒有空回程，解決了傳統往復泵曲軸轉一周只有1/2周工作，1/2周空回程的問題，電機拖動載荷更均勻，提高了電能的利用率和機械效率，達到節能的目的。對置式柱塞泵結構見圖1。

圖1 對置式柱塞泵結構

3.1.2 結構特點

雙軸伸結構使凸輪軸、軸承受力合理，克服了傳統柱塞泵因單軸伸結構引起的凸輪軸受力不均造成的單邊局部應力集中及靠近皮帶輪方向的軸承破壞過快的缺點。在排量150 m3/h、壓力16 MPa的工況下，采用雙軸伸結構雙向同時受力，軸徑僅為150 mm，遠小于單軸伸結構的凸輪軸軸徑。同時，因電機也采用雙軸伸結構，電機軸受力更加合理，皮帶傳動效率提高。

中開式曲軸箱體結構，不僅加工方便，也易于整機的維護組裝，整機檢修時只需吊起曲軸箱上半部分即可進行動力端的檢查。對置式高壓往復柱塞泵的技術參數見表1。

3.2 對置式高壓往復柱塞泵的優勢

對置式往復柱塞泵利用動力部件在中間，液力部件布置在兩端，一軸雙向作用，解決同一凸輪上往返運動的連接，突破了往復式柱塞泵大流量必須大體積的瓶頸。

3.2.1 對置式柱塞泵與離心泵單耗、標耗對比

在同樣實現排量140 m3/h，泵壓15 MPa，干壓14.5 MPa的情況下，辛五注投產的對置式柱塞泵與離心泵電耗數據對比見表2、3。

表1 對置式高壓往復柱塞泵的技術參數

由表2、3看出，對置式柱塞泵的單耗比離心泵低2.61 kW·h/m3；從標耗看，對置式柱塞泵比離心泵低0.18 kW·h/m3·MPa。

3.2.2 干泵壓差平穩情況對比

對置式柱塞泵與離心泵干壓平穩對比見圖2。由圖2可知，對置式柱塞泵干壓平穩性比離心泵好。

表2 辛五注離心泵7-9月電耗統計

表3 辛五注對置式柱塞泵10-12月電耗統計

圖2 對置式柱塞泵與離心泵干壓平穩性對比

4 主要技術改進

4.1 研制新型液力端[1]

辛五注投用3臺柱塞泵后，暴露問題較多，經過分析是傳動部分的微觀結構和零部件的間隙配合不合理所致。經過摸索，成功研制了新型液力端，實現了泵頭與填料盒一體加工的模式。該液力端保證了傳動精度和安裝精度，減少了密封環節。另外，改變了傳統液力端中吸液室零件的結構形狀，更換配件更為快捷方便，更換吸排液閥的工時由1 h縮短至15 min。對置式柱塞泵液力端結構示意見圖3。

4.2 降低泵振動

柱塞泵最初投用時泵體振動幅度大，導致出口管線震裂穿孔，經過論證分析，增加柱塞泵基礎面積，降低基礎高度，整機重心降低0.5 m，底座降低0.15 m，增大水泥基礎的質量至泵質量的6倍，出口管線縮短0.8 m，通過深埋管線減少振動余量的傳遞，從而使泵體振動減少。對置式柱塞泵技術改進前后噪音及振動數據對比見表4。

4.3 改善配件材質

圖3 對置式柱塞泵液力端結構示意

表4 對置式柱塞泵技術改進前后噪音及振動數據對比

柱塞泵試運初期，柱塞易腐蝕、泵閥板材質不耐高溫高壓，頻繁出現閥板壞導致停泵修泵。及時調整柱塞、閥等易損件的材質，即柱塞表面噴焊材料由原來的Ni62合金粉末調整為鎢鈦鈷合金粉末；閥板由原來的聚甲醛調整為高分子材料；閥體由原來的304不銹鋼調整為雙相不銹鋼SAF2507；盤根由原來的芳綸調整為芳綸割裂絲。通過調整，提高了表面硬度、強度、耐腐蝕性及耐磨性，大大延長了使用壽命，降低了維修工作量。

5 應用情況及效果

5.1 辛五注水站改造工程

辛五注水站始建于1997年12月，負責營87、營66、營93等斷塊的注水任務。初期設計安裝有高壓離心注水泵4臺，3臺型號為DF140-150×11，1臺為KGF80-150×11，配套電機1 000 kW，壓力級別16 MPa，設計注水能力7 800 m3/d。改造前日開泵2臺，日注水6 500 m3/d，注水站效率61.45%，平均注水單耗6.12 kW·h/m3，能耗較高。為降低能耗，實現注水站高效運行，東辛采油廠對該站注水設施技術改造，安裝2臺5DW150/16型大流量對置式高壓往復柱塞泵，實現柱塞泵替代離心泵注水。目前日開泵2臺，1臺工頻1臺變頻，整個泵站各項參數能夠滿足注水需要，注水泵效率提高至85.96%，與以前離心泵相同注水量（6 500 m3/d）、相同注水壓力（14.5 MPa）的情況下，注水單耗由6.76 kW·h/m3降至4.15 kW·h/m3，日節電1.6萬kW·h，年節約400萬元。

5.2 廣一注水站改造工程

廣一注水安裝3臺9DW-270型大流量對置式柱塞泵，單泵理論排量270 m3/h，揚程1 200 m。正常生產運行2臺柱塞泵（工頻1臺，變頻1臺），備用1臺，注水壓力11.5～12.0 MPa，排量415 m3/h，外輸注水量9 960 m3/d。經核算注水單耗由4.8 kW·h/m3降為4.1 kW·h/m3，日節電7 000kW·h，年節約180萬元。

5.3 創新開展維修承包保運模式

由于該設備為新型產品，泵的排量、壓力較高，設備結構體積大。設備運行和維護保養專業技術要求較高。采油廠設備保修能力有限，原離心泵操作工人對柱塞泵的結構、性能、原理等都比較陌生，對設備故障無從下手，缺乏維修管理經驗，設備運行時率得不到保證。在充分做好前期調研的基礎上，創新提出實行“柱塞泵時率承包”時率與維修費對等考核結算的維修外包管理模式，即：維修廠家必須確保維修及時且注水量、注水壓力達到采油廠注水規定要求，只有泵的運行時率達到96%以上才能得到維修費；達到98%以上才能得到全額承包維修費；時率在96%～98%，低于98%且高于97%時，每停運1 h扣5 h運轉承包費；低于97%且高于96%時，每停運1 h扣10 h運轉承包費；低于96%時，扣當月該泵的運轉承包費用；當低于90%時，每停運1 h，乙方賠償甲方120元電費損失。從維修承包范圍到承包費用核算、承包商的優選、雙方責任的確定、考核標準等，進行了科學的規劃和計算，使柱塞泵運轉時率逐年提高。通過運行設備維修保運新模式，在節約運行成本的同時降低了職工的勞動強度，提高了泵站的專業化管理水平。辛五注近3年運轉時率統計見表5。

表5 辛五注近3年運轉時率統計 %

6 結論

對置式柱塞泵機組效率既高于傳統柱塞泵又遠高于離心式注水泵，具有良好的運行穩定性，是替代離心式注水泵和傳統柱塞泵的理想產品。

通過東辛采油廠兩個注水泵站改造運行情況看，項目節能效果顯著，在全系統具有較好的推廣前景。