大流量對(duì)置式高壓往復(fù)柱塞泵的推廣應(yīng)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(fā)過程中由于地層壓力高，注水設(shè)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(duì)較低，能耗較高。為節(jié)能減排，按照中國石化集團(tuán)公司關(guān)于《淘汰高耗低效電動(dòng)機(jī)與所驅(qū)動(dòng)設(shè)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(jié)能注水泵替代離心式注水泵注水的設(shè)想。

1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(yùn)行泵效為75%計(jì)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(fù)式柱塞泵泵效一般約98%，如果用往復(fù)式柱塞泵注水，平均日節(jié)電11.224萬kW·h，年節(jié)電4 096.76 kW·h，按每度電0.75元計(jì)算，可節(jié)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(jī)容量大，能耗高，不符合油田節(jié)能減排的要求，因此大力推廣應(yīng)用泵效高、能耗低的注水泵尤為重要。

2 設(shè)計(jì)思路

往復(fù)式柱塞泵效率比離心泵高30%以上，而傳統(tǒng)往復(fù)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(hù)。困擾大流量柱塞泵的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是流量與體積的正比關(guān)系。在廣泛調(diào)研和反復(fù)論證的基礎(chǔ)上，提出了柱塞泵對(duì)置雙作用的設(shè)計(jì)新概念，從理論上解決了傳統(tǒng)柱塞泵體積大的難點(diǎn)。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

3.1 對(duì)置式高壓往復(fù)柱塞泵的工作原理

3.1.1 原理簡介

傳統(tǒng)單柱塞往復(fù)泵曲軸轉(zhuǎn)一周360°，一個(gè)柱塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(duì)置式高壓往復(fù)柱塞泵（以下簡稱對(duì)置式柱塞泵）采用10個(gè)柱塞水平對(duì)置平均分布在曲軸箱體兩端，曲軸每旋轉(zhuǎn)36°，就有一個(gè)柱塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，該結(jié)構(gòu)沒有空回程，解決了傳統(tǒng)往復(fù)泵曲軸轉(zhuǎn)一周只有1/2周工作，1/2周空回程的問題，電機(jī)拖動(dòng)載荷更均勻，提高了電能的利用率和機(jī)械效率，達(dá)到節(jié)能的目的。對(duì)置式柱塞泵結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 對(duì)置式柱塞泵結(jié)構(gòu)

3.1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

雙軸伸結(jié)構(gòu)使凸輪軸、軸承受力合理，克服了傳統(tǒng)柱塞泵因單軸伸結(jié)構(gòu)引起的凸輪軸受力不均造成的單邊局部應(yīng)力集中及靠近皮帶輪方向的軸承破壞過快的缺點(diǎn)。在排量150 m3/h、壓力16 MPa的工況下，采用雙軸伸結(jié)構(gòu)雙向同時(shí)受力，軸徑僅為150 mm，遠(yuǎn)小于單軸伸結(jié)構(gòu)的凸輪軸軸徑。同時(shí)，因電機(jī)也采用雙軸伸結(jié)構(gòu)，電機(jī)軸受力更加合理，皮帶傳動(dòng)效率提高。

中開式曲軸箱體結(jié)構(gòu)，不僅加工方便，也易于整機(jī)的維護(hù)組裝，整機(jī)檢修時(shí)只需吊起曲軸箱上半部分即可進(jìn)行動(dòng)力端的檢查。對(duì)置式高壓往復(fù)柱塞泵的技術(shù)參數(shù)見表1。

3.2 對(duì)置式高壓往復(fù)柱塞泵的優(yōu)勢(shì)

對(duì)置式往復(fù)柱塞泵利用動(dòng)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(yùn)動(dòng)的連接，突破了往復(fù)式柱塞泵大流量必須大體積的瓶頸。

3.2.1 對(duì)置式柱塞泵與離心泵單耗、標(biāo)耗對(duì)比

在同樣實(shí)現(xiàn)排量140 m3/h，泵壓15 MPa，干壓14.5 MPa的情況下，辛五注投產(chǎn)的對(duì)置式柱塞泵與離心泵電耗數(shù)據(jù)對(duì)比見表2、3。

表1 對(duì)置式高壓往復(fù)柱塞泵的技術(shù)參數(shù)

由表2、3看出，對(duì)置式柱塞泵的單耗比離心泵低2.61 kW·h/m3；從標(biāo)耗看，對(duì)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(wěn)情況對(duì)比

對(duì)置式柱塞泵與離心泵干壓平穩(wěn)對(duì)比見圖2。由圖2可知，對(duì)置式柱塞泵干壓平穩(wěn)性比離心泵好。

表2 辛五注離心泵7-9月電耗統(tǒng)計(jì)

表3 辛五注對(duì)置式柱塞泵10-12月電耗統(tǒng)計(jì)

圖2 對(duì)置式柱塞泵與離心泵干壓平穩(wěn)性對(duì)比

4 主要技術(shù)改進(jìn)

4.1 研制新型液力端[1]

辛五注投用3臺(tái)柱塞泵后，暴露問題較多，經(jīng)過分析是傳動(dòng)部分的微觀結(jié)構(gòu)和零部件的間隙配合不合理所致。經(jīng)過摸索，成功研制了新型液力端，實(shí)現(xiàn)了泵頭與填料盒一體加工的模式。該液力端保證了傳動(dòng)精度和安裝精度，減少了密封環(huán)節(jié)。另外，改變了傳統(tǒng)液力端中吸液室零件的結(jié)構(gòu)形狀，更換配件更為快捷方便，更換吸排液閥的工時(shí)由1 h縮短至15 min。對(duì)置式柱塞泵液力端結(jié)構(gòu)示意見圖3。

4.2 降低泵振動(dòng)

柱塞泵最初投用時(shí)泵體振動(dòng)幅度大，導(dǎo)致出口管線震裂穿孔，經(jīng)過論證分析，增加柱塞泵基礎(chǔ)面積，降低基礎(chǔ)高度，整機(jī)重心降低0.5 m，底座降低0.15 m，增大水泥基礎(chǔ)的質(zhì)量至泵質(zhì)量的6倍，出口管線縮短0.8 m，通過深埋管線減少振動(dòng)余量的傳遞，從而使泵體振動(dòng)減少。對(duì)置式柱塞泵技術(shù)改進(jìn)前后噪音及振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比見表4。

4.3 改善配件材質(zhì)

圖3 對(duì)置式柱塞泵液力端結(jié)構(gòu)示意

表4 對(duì)置式柱塞泵技術(shù)改進(jìn)前后噪音及振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比

柱塞泵試運(yùn)初期，柱塞易腐蝕、泵閥板材質(zhì)不耐高溫高壓，頻繁出現(xiàn)閥板壞導(dǎo)致停泵修泵。及時(shí)調(diào)整柱塞、閥等易損件的材質(zhì)，即柱塞表面噴焊材料由原來的Ni62合金粉末調(diào)整為鎢鈦鈷合金粉末；閥板由原來的聚甲醛調(diào)整為高分子材料；閥體由原來的304不銹鋼調(diào)整為雙相不銹鋼SAF2507；盤根由原來的芳綸調(diào)整為芳綸割裂絲。通過調(diào)整，提高了表面硬度、強(qiáng)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(yīng)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(fù)責(zé)營87、營66、營93等斷塊的注水任務(wù)。初期設(shè)計(jì)安裝有高壓離心注水泵4臺(tái)，3臺(tái)型號(hào)為DF140-150×11，1臺(tái)為KGF80-150×11，配套電機(jī)1 000 kW，壓力級(jí)別16 MPa，設(shè)計(jì)注水能力7 800 m3/d。改造前日開泵2臺(tái)，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(shí)現(xiàn)注水站高效運(yùn)行，東辛采油廠對(duì)該站注水設(shè)施技術(shù)改造，安裝2臺(tái)5DW150/16型大流量對(duì)置式高壓往復(fù)柱塞泵，實(shí)現(xiàn)柱塞泵替代離心泵注水。目前日開泵2臺(tái)，1臺(tái)工頻1臺(tái)變頻，整個(gè)泵站各項(xiàng)參數(shù)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(jié)電1.6萬kW·h，年節(jié)約400萬元。

5.2 廣一注水站改造工程

廣一注水安裝3臺(tái)9DW-270型大流量對(duì)置式柱塞泵，單泵理論排量270 m3/h，揚(yáng)程1 200 m。正常生產(chǎn)運(yùn)行2臺(tái)柱塞泵（工頻1臺(tái)，變頻1臺(tái)），備用1臺(tái)，注水壓力11.5～12.0 MPa，排量415 m3/h，外輸注水量9 960 m3/d。經(jīng)核算注水單耗由4.8 kW·h/m3降為4.1 kW·h/m3，日節(jié)電7 000kW·h，年節(jié)約180萬元。

5.3 創(chuàng)新開展維修承包保運(yùn)模式

由于該設(shè)備為新型產(chǎn)品，泵的排量、壓力較高，設(shè)備結(jié)構(gòu)體積大。設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)保養(yǎng)專業(yè)技術(shù)要求較高。采油廠設(shè)備保修能力有限，原離心泵操作工人對(duì)柱塞泵的結(jié)構(gòu)、性能、原理等都比較陌生，對(duì)設(shè)備故障無從下手，缺乏維修管理經(jīng)驗(yàn)，設(shè)備運(yùn)行時(shí)率得不到保證。在充分做好前期調(diào)研的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新提出實(shí)行“柱塞泵時(shí)率承包”時(shí)率與維修費(fèi)對(duì)等考核結(jié)算的維修外包管理模式，即：維修廠家必須確保維修及時(shí)且注水量、注水壓力達(dá)到采油廠注水規(guī)定要求，只有泵的運(yùn)行時(shí)率達(dá)到96%以上才能得到維修費(fèi)；達(dá)到98%以上才能得到全額承包維修費(fèi)；時(shí)率在96%～98%，低于98%且高于97%時(shí)，每停運(yùn)1 h扣5 h運(yùn)轉(zhuǎn)承包費(fèi)；低于97%且高于96%時(shí)，每停運(yùn)1 h扣10 h運(yùn)轉(zhuǎn)承包費(fèi)；低于96%時(shí)，扣當(dāng)月該泵的運(yùn)轉(zhuǎn)承包費(fèi)用；當(dāng)?shù)陀?0%時(shí)，每停運(yùn)1 h，乙方賠償甲方120元電費(fèi)損失。從維修承包范圍到承包費(fèi)用核算、承包商的優(yōu)選、雙方責(zé)任的確定、考核標(biāo)準(zhǔn)等，進(jìn)行了科學(xué)的規(guī)劃和計(jì)算，使柱塞泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)率逐年提高。通過運(yùn)行設(shè)備維修保運(yùn)新模式，在節(jié)約運(yùn)行成本的同時(shí)降低了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了泵站的專業(yè)化管理水平。辛五注近3年運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)率統(tǒng)計(jì)見表5。

表5 辛五注近3年運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)率統(tǒng)計(jì) %

6 結(jié)論

對(duì)置式柱塞泵機(jī)組效率既高于傳統(tǒng)柱塞泵又遠(yuǎn)高于離心式注水泵，具有良好的運(yùn)行穩(wěn)定性，是替代離心式注水泵和傳統(tǒng)柱塞泵的理想產(chǎn)品。

通過東辛采油廠兩個(gè)注水泵站改造運(yùn)行情況看，項(xiàng)目節(jié)能效果顯著，在全系統(tǒng)具有較好的推廣前景。