注水系統節能措施研究與挖潛

張興波 常超（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

油田的注水開發系統是一個比較重要的系統，這一系統是由多個部分共同組成的，每一個部分都相互連接并且相互作用，共同構成的系統在整個注水開發的過程中占據了一個相當重要的地位[1]。某油田采用分壓注水、注水泵匹配提質增效、注水站避峰填谷的措施降低能耗[2]。另外，某油田提出停運區塊內1 座注水站及1 座深度污水站結合高低壓注水管網連通性確定優化方式[3]。

1 現狀

某注水站自投產以來保持外輸水驅井排，2007 年開始增加三元井排，目前注水站注水泵5臺運2備3，外輸水驅三元井排，日耗電量86 509 kWh，日注水量14967m3，單耗5.72kWh/m3。

由表1 可知，注水泵效率不高，平均泵效為76%?，F場通過對電動機溫度進行錄取發現，電動機溫度高，導致冷卻水更換頻繁，增加用水量，最大用水量為833 m3/d。通過計算得出，注水泵軸功率升高，注水單耗上升，增加用電量，最高單耗為5.72 kWh/m3。

表1 注水泵泵效統計

2 注水系統簡介

隨著科學技術的發展，經過一系列的完善之后， 當前的地面注水系統形成了注水管網聯網、污水處理系統等完善的設備，達到了油田開發的需求標準[4]。

2.1 工藝

注水站工藝流程如圖1 所示。深度污水單元、三元污水單元來水進入注水罐，通過注水泵將罐內污水外輸至水驅、三元驅井排，同時利用冷卻水系統對注水電動機進行冷卻，利用潤滑油對軸瓦進行潤滑。

圖1 注水站工藝流程

2.2 生產

伴隨著油田的開發，隨之而來的注采不平衡的問題日益嚴重。而注水站作為整個油田系統的能耗大戶，所用能耗日益提升，平均泵水單耗在5.72 kWh/m3左右，單耗過高，面對目前油田整體形勢，單耗過高問題需要妥善解決。針對以上問題提出三項措施降低注水系統能耗。

3 注水系統節能措施的研究與挖潛

3.1 調整優化注水泵抬量與軸竄量

注水泵轉子在定子中必須有較好對中，否則會產生磨擦造成泵的振動。這種振動不會太大但泵效下降很快；因此，在泵的組裝過程中必須按標準將轉子與定子的對中調整好，將轉子的抬量調整到最佳，并盤車靈活[5]。注水泵抬量為注水泵運行過程中泵軸徑向移動的距離，注水泵竄量為注水泵運行過程中泵軸軸向往復運動的沖程。

3.1.1 軸瓦抬量測量

取下上下軸瓦，用百分表進行測量，測量數值為總抬量。取下上瓦，用百分表法對軸徑向位移進行測量，測量數值為上抬量，具體方法見圖2。

圖2 抬量測量

3.1.2 軸竄量測量

高壓離心泵運行中，當導葉中心與葉輪中心正好對準時，水泵的水力損失較小、效率較高是理想的經濟運行狀態[6]。測量時將平衡盤卸下，裝上軸套用游標卡尺法對軸軸向位移進行測量，測量數值為總竄量抬量；將平衡盤裝上，再次進行測量，測量數值為工作竄量，具體方法如圖3所示。

圖3 軸竄量測量示意圖

3.1.3 抬量與竄量的調整標準與調節方式

軸瓦抬量：上抬量等于總抬量的二分之一減0.05 mm；軸竄量：工作竄量等于總竄量的二分之一減0.5 mm。抬量通過松緊一下頂絲讓瓦架和軸瓦上升或下落一點，竄量通過磨削平衡盤或加墊片增大或減小竄量。

3.1.4 現場試驗

通過以上操作方法，對目前運行的1#注水泵進行現場試驗得出以下結論：頂絲需上調0.25 mm，平衡盤需加墊片0.4 mm。具體調節情況見表2。

表2 注水泵調節情況

對調節前后10 天的數據進行錄取比對發現，平均電動機溫度下降4 ℃，平均單耗下降0.25 kWh/m3，平均泵效提升3.1%。

3.1.5 抬量調整周期的摸索

通過對注水泵年運行數據進行匯總分析得出，年初調節后，2—11月泵效維持較為平穩，11 月后泵效降低，將調整周期設置為9個月。

3.2 繪制注水泵特性曲線，尋找最佳排量

3.2.1 錄入與計算注水泵的基本數據

離心泵的特征曲線可用H-Q曲線表示。為了控制離心泵的流量， 必須改變管路或泵的特征。管路特征曲線的改變可利用泵排出口閥門進行調節，泵特性曲線的改變可利用泵轉速進行調節。并聯泵工作時，流量增大，是由管路特性的工作點發生變化引起的。當采用調速泵時，水泵的流量與揚程的關系及流量與工作效率之間的關系隨轉速的改變而變化[7]。選擇1#注水泵分8次對注水泵的基礎信息進行錄入，錄入結果注水泵基礎信息見表3。

表3 注水泵基礎信息

對錄取的注水泵電壓、電流、流量、泵壓等數據進行匯總，通過公式（1）、（2）計算出軸功率、泵效[8]，并繪制1#注水泵特性曲線（圖4），得出1#注水泵最佳流量；同時，應用次方法計算出5臺注水泵最佳工作點泵效及流量見表4。

式中：η泵為注水泵效率，%；N有為注水泵有用功率，kW；N軸為注水泵軸功率，kW；N輸出為注水泵軸功率，kW；I為注水泵電動機電流，A；U為注水泵電動機電壓，V。

圖4 1#注水泵特性曲線

表4 注水泵最佳工作點泵效及流量

3.2.2 現場試驗

對運行的4#注水泵進行實驗，每2 h 錄取注水泵數據。當數據變化時，先通過曲線找出最佳排量，然后通過泵出口調節至最佳排量，最后計算當天單耗與前1 天對比。平均單耗下降0.12 kWh/m3，耗電量下降1 289 kWh，年節約成本110余萬元。

3.3 安裝空氣換熱冷卻裝置，降低冷卻水用量

油田注水系統是油田投資的主要環節之一，強化注水管理、提高注水設備的運行效率對降低油田生產成本有重要意義[9]。冷卻效果差，會導致冷卻水需求量增加，冷卻水泵負荷增大，電動機溫度過高，影響安全運行[10]。

3.3.1 冷卻水用量

原注水泵電動機的冷卻是采用清水強制冷卻方法。1 天要換3～4 次水，冬季日用水量為500 m3，夏季日用水量為700 m3，暑天最熱時日用水量達800 m3左右。研制此裝置的目的就是用自然空氣換熱的方法對電動機進行冷卻，從而節約清水的用量，減少員工勞動強度[11]。

3.3.2 工作原理

在電動機外殼兩側各安裝1個（360mm×290mm×50 mm）通風裝置，內有兩到三層灰塵過濾網，對電動機進行通風，達到換熱降溫節水的目的。

3.3.3 效果對比

通過改造后2年的實際運行來看，用水量平均每天在300 m3以下，冬天在200 m3以下，甚至更少。現在1 天換1 次水即可滿足生產需要，此項革新不僅大幅降低了冷卻水的用量，年節約冷卻水16.2×104m3，而且對電動機溫度的控制也起到了積極的作用，年經濟效益創48.6萬元。

4 結論

1）通過對注水站實施措施探索，確定了注水站內注水泵總抬量為0.65 mm，總竄量為7 mm。

2）針對注水系統能耗高的問題，通過調整注水泵抬量與竄量、摸索注水泵最佳排量，該站能耗有所降低，單耗由原來的5.72 kWh/m3降至5.35 kWh/m3；同時，也延長了在用機泵的使用壽命，年節約成本110余萬元。

3）研發空氣換熱冷卻裝置，年降低注水泵冷卻水16.2×104m3。