液壓轉水技術研究及評價

蔣成銀，張育華，吳 君，劉 華，王 寧，康 勇

（中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，陜西西安 710018）

采氣過程中地層產(chǎn)水、壓裂液、輕烴及地層雜質(zhì)會伴隨天然氣被攜帶至地面工藝流程，為保證天然氣管道輸送條件和滿足用戶使用的商品天然氣氣質(zhì)指標，需對開采出含游離液體和機械雜質(zhì)的濕氣進行初步分離，從而在集氣站中收集有大量含重烴類凝析液體需轉輸至水處理站進行深度處理。但在管輸轉運過程中因液體中還有機械雜質(zhì)和烴類介質(zhì)，導致轉水泵因氣蝕、磨損等因素影響泵的工作效率[1-2]。分析某作業(yè)區(qū)各集氣站氣田采出水目前使用20 臺螺桿泵進行轉水，在使用過程中發(fā)現(xiàn)螺桿泵存在以下問題：（1）對介質(zhì)要求高，機械雜質(zhì)過多會造成定子、轉子磨損，長期磨損造成嚙合腔室密封不嚴；（2）每次啟泵前，要灌泵保證定子、轉子腔室內(nèi)有液體，否則會造成定子、轉子干磨損傷；（3）介質(zhì)必須為恒定流體，段塞流介質(zhì)會造成定子、轉子磨損。

經(jīng)統(tǒng)計，2020 年至今，螺桿泵共計故障54 次，更換定子、轉子共24 件。主要故障原因為螺桿泵定子、轉子磨損導致不上量。針對在用螺桿泵故障頻發(fā)，影響生產(chǎn)效率、維修成本高等問題，研究試驗了一種滿足油水混輸、適應惡劣生產(chǎn)工況、接觸機械雜質(zhì)的主要工作部件耐磨、維修成本低的液壓單缸雙作用轉水設備[3-6]。

1 工藝原理

撬裝式液壓單缸雙作用柱塞泵轉水裝置主要由進液過濾、液壓動力、智控系統(tǒng)、增壓、冷卻、底座撬體六部分組成（圖1）。

圖1 液壓單缸雙作用柱塞泵流程圖

1.1 設備參數(shù)（表1）

表1 設備參數(shù)表

1.2 工藝流程

螺桿泵：儲液罐→過濾器→現(xiàn)場直控機械螺桿泵→管輸下游。

液壓泵：儲液罐→過濾器（可拆除）→智控液壓柱塞泵→管輸下游。

1.3 液壓轉水技術分析

將動力單元由以往電動直驅(qū)改造為電動機+液壓驅(qū)動，執(zhí)行機構使用液壓單缸雙作用柱塞泵，泵體內(nèi)柱塞缸由液壓腔和右、左工作腔組成（圖2），柱塞在一次往復運動中分別對兩腔體產(chǎn)生一次作用，使得該泵的柱塞運動具有雙作用的特點，以消除脈沖振動。

圖2 液壓單缸雙作用柱塞泵結構圖

1.4 智控系統(tǒng)

撬裝轉水設備控制部分以PLC 為核心，機組安裝的高（低）壓力（溫度）變送器、保護開關、距離檢測元件、電磁閥以及控制盤上的操作按鈕均接至PLC 的I/O 模塊，PLC 通過它們來檢測機組的運行狀態(tài)，并控制執(zhí)行機構的動作，實現(xiàn)遠程啟、停泵，異常工況預警和自保停機。

2 試驗情況

2.1 試驗總體情況

2022 年5 月13 日在蘇A 站開展液壓單缸雙作用柱塞泵轉水試驗，其主要作用為轉運輕烴污水。截止7月6 日，總運行時間為626.88 h，轉水709.43 m3，設備運行正常。

2.2 轉水效果

液壓單缸雙作用柱塞泵對進口介質(zhì)性質(zhì)及清潔程度要求較低，運行情況下外輸流量1.5～1.9 m3/h，基本滿足集氣站日常生產(chǎn)轉水需求。具體運行情況見表2。

表2 轉水效果試驗記錄表

2.3 轉油效果

液壓單缸雙作用柱塞泵可正常轉運氣田輕烴，但因運行情況下外輸流量因流量計計量要求問題無法計量氣田輕烴。具體運行情況見表3。

表3 轉油效果試驗記錄表

2.4 油水界面效果

液壓單缸雙作用柱塞泵在轉輸氣田采出水過程中，遇有油水界面時轉輸效果無明顯變化，但隨著氣田輕烴含量增加的同時會出現(xiàn)壓力和流量下降現(xiàn)象（表4）。

表4 油水界面試驗情況記錄表

2.5 進口排空直接啟泵效果

2022 年6 月1 日至7 月6 日分6 次對液壓單缸雙作用柱塞泵進口進行排空，驗證泵進口存在空氣或段塞流情況下轉液效果。試驗結論：液壓單缸雙作用柱塞泵啟泵運行受進口空氣和流量變化影響小（表5）。

表5 泵進口排空情況下啟泵運轉測試記錄表

通過以上4 種工況對比發(fā)現(xiàn)：與螺桿泵相比，液壓單缸雙作用柱塞泵具有適用介質(zhì)范圍廣、對介質(zhì)流態(tài)適應性強以及在惡劣工況（機械雜質(zhì)較多）下耐磨性好的特點。

3 經(jīng)濟性分析

液壓單缸雙作用柱塞泵運行時受混合物內(nèi)泥沙影響較小，6 月28 日去除泵進口過濾器，運行72 h，拆除泵頭未發(fā)現(xiàn)劃痕，上量穩(wěn)定無影響。由此可見，液壓單缸雙作用柱塞泵運行期間僅需要對活塞環(huán)、填料等易損件進行更換，節(jié)約了維修費用（表6）。

表6 在用螺桿泵與試驗液壓柱塞泵維修費用對比表

在用泵與試驗泵維修費用對比計算：在用螺桿泵每年最低維修成本為材料費20 000 元、2 人維修耗時約4 h 人工成本約600 元，合計年維修費用20 600元；試驗中的液壓單缸雙作用柱塞泵因試驗54 d 未出現(xiàn)故障且磨損部件狀況良好，假設活塞環(huán)、填料等易損部件120 d 磨損增大需更換（材料成本450×1、300×2），更換一次需1 人1 h 人工成本約75 元，合計年維修費用3 375 元。通過維修費用對比發(fā)現(xiàn)：試驗泵年維修成本僅為在用泵的16.38%。

4 結論

（1）對進口介質(zhì)性質(zhì)及清潔程度要求較低，滿足集氣站日常生產(chǎn)轉水需求。

（2）液壓單缸雙作用柱塞泵啟泵運行受進口空氣和流量變化影響小，在段塞流或空泵情況下運行平穩(wěn)。

（3）對機械雜質(zhì)抗磨性能好，過濾器拆除情況下泵體磨損小。

（4）與螺桿泵相比維修費用低，經(jīng)濟性能好。