基于TRIZ理论的降低离心泵单耗的研究

文/大庆油田有限责任公司第六采油厂 李琪彤黑龙江省技术创新方法研究会 张颖 吴永志



基于TRIZ理论的降低离心泵单耗的研究

文/大庆油田有限责任公司第六采油厂 李琪彤
黑龙江省技术创新方法研究会 张颖 吴永志

摘要：对油田注水系统现状进行了调查和分析，注水系统是油田耗电大户,注水单耗是衡量注水系统能耗重要指标,部分注水电机注水单耗偏高,注水系统效率偏低，该文通过分析，有针对性地提出降低注水单耗的技术和管理措施，对降低注水系统能耗，提高系统效率有积极的意义。

关键词：注水系统；单耗；效率；降低

油田开发后期，注水开发在油田生产中起决定性作用，高压离心泵（多级离心泵P＞4.0MPa）主要用于油田注水，为油田注水提供注水压力。然而注水泵在油田耗电设备中耗电量所占比例过大， 具有较大节能潜力。在技术革新、更新的形势下，要求我们在实际生产中，注重科学管理，实施技能改造，以降低注水泵单耗为目标，从而实现降本增效的目的。

1 发明问题初始形势分析

1.1当前系统的功能及组成：当前注水系统主要由污水来水、管道、储水罐、高压注水泵、注水管网组成。

1.2当前系统的工作原理（配图）：靠高速旋转的叶轮，带动液体高速旋转，又利用离心力的原理将液体甩出，从而实现输送液体的目的。

1.3存在的主要问题：

①泵管压差大。泵压与注水管线压力之间存在较大压差，泵管压差大，必须靠控制出口阀门来保证注水管网的注水压力，这样既造成大量的电能被白白消耗，同时又由于泵压较高，对机泵的运行影响较大。

②泵效低。泵效和单耗是相互联系的，产生同样流量和扬程，泵效低消耗的能源越大，相反，泵效高能量损失小。由离心泵的性能特性曲线η—Q可知，随着泵排量的增加泵效逐渐上升，当上升到最高点后随着排量的增加泵效随之降低。泵效达到的最高点称为最佳工况点，这一点所对应的扬程、泵效、排量、轴功率等参数称之为最优参数。但是注水量波动较大，人为控制很难找到工况点。

③泵压的影响。单耗虽然由耗电量除以注水量得出，但由于泵站泵压控制可直接影响注水泵的注水量和耗电量，因而也就影响了注水单耗的大小。无压负荷的情况下，随着泵压的升高，单耗值是随着上升的，泵压越高，单耗增长越大。压负荷情况下，单泵单耗随泵压升高，也就是随着压负荷程度的加深单耗值上升越快，且大于不压负荷时的上升速度。

④管线及泵内部元件结垢腐蚀。由于所注水质一般为普通污水，致使管线及泵内部元件结垢腐蚀严重，造成叶轮腐蚀，出现砂眼、空洞，口环间隙过大等，泵进口管线结垢腐蚀都影响注水效率。

1.4技术参数：

①注水单耗计算公式：

式中DH—注水单耗，kW·h/m3；

W—注水站电动机耗电量，kW·h；

V—注水泵输出水量，m3。

②离心泵性能特性曲线。

1.5问题解决目标：合理降低高压注水泵实际过高的单耗。

1.6限制条件：

①生产管理制约。实际生产中，日注水量是一个波动较大的参数，特别是高压注水系统。注水井受生产管理者的制约，开关现象频繁，注水量昼夜变化较大。

图1　离心泵系统的九屏图

②生产成本制约。实际生产环境中，生产改造成本有限，一些消耗成本较大的设备或者方案无法实行。

③工艺流程制约。原设备只能定速运行，所以只能靠调节阀门开度来调节注水量大小，调节方法较单一。

1.7详细列出目前解决的方案或类似产品的解决方案或已有专利，并分析存在问题：

加装集散控制系统。根据注水站工艺流程，在整个系统中设置多项监控点（温度、压力、流量、液位），并在这些测控点上安装传感器，将现场的物理变化量转换为电信号传送给控制中心（可编程控制器和工业计算机可编程技术和强大的组态软件），对整个系统进行实际监控。实现对注水泵出口阀门的开闭度进行无极同步调速，同时对参数的监测、计算、优化控制注水泵在高效区运行。

存在的问题：整个集散系统安装下来耗费成本高、技术难度大。

2 利用TRIZ工具分析问题

2.1九屏图（见图1）

提出的技术方案：

方案1：加装变频器提高系统智能程度。

2.2因果链分析（见图2）

确定解决问题的关键问题：见黄色部分。

提出技术方案：

方案1： 改善注水水质。

方案2：在输送及储存介质中加入缓蚀剂降低腐蚀程度。

方案3：润滑油中添加耐磨剂。

方案4：重新调整机泵同心度。

2.3资源分析（见表1）

提出技术方案：

方案1：加装变频器。

方案2：将固定泵房变成“可移动”。

3 运用TRIZ工具解决问题

3.1最终理想解（见表2）

提出技术方案：

方案1： 加装前置泵，采用变频调速技术。

3.2技术矛盾

①原问题技术矛盾的表述：（见图3）

确定要解决的技术矛盾为 TC-1，它发生在（管线设备结垢现象会降低）与（冬季管线会冻堵）之间，发生在（输送介质温度低）的时候。

图2　因果链分析

表1　资源分析

表2　最终理想解

图3　原问题技术矛盾的表

②问题模型—对应的39个通用工程参数

改善的参数：30作用于物体的有害因素

恶化的参数：35适应性

③解决方案模型

对应查看阿奇舒勒矛盾矩阵表得到参考创新原理为：

35性能转化法

11预制防范法

22变害为利法

31孔化法

提出技术方案：

方案1：定期在污水管线中加入无机磷酸盐等油田常用防垢剂（性能转化法）。

方案2：冬天在露天管线外部包裹防冻材料如毛毡（预制防范法）。

方案3：在管线中分段增加可清理小孔滤网夹层（孔化法）。

3.3物理矛盾

①确定物理矛盾：

（输送介质温度）应该（A+ 低），以满足（管线设备结垢）要求；（输送介质温度）应该（A- 高），以满足（冬季管线不会冻堵）要求。

②拟采用分离原理

空间分离：

提出技术方案：在管线露天部分增加电伴热带适当调节温度。

时间分离：

提出技术方案：冬天在露天管线外部包裹防冻材料如毛毡。

整体与部分分离：

提出技术方案：在管线内外层中间加入隔热良好的材料，内部加入内置式液体降温器，外部加电伴热保证外部温度，使内部水质低温，外部管线高温，高温不会向低温传导。

方案1：在管线露天部分增加电伴热带适当调节温度。

方案2：冬天在露天管线外部包裹防冻材料如毛毡。

方案3：在管线内外层中间加入隔热良好的材料，内部加入内置式液体降温器，外部加电伴热保证外部温度，使内部水质低温，外部管线高温，高温不会向低温传导。

3.4物场模型

提出技术方案：在输送及储存介质中加入缓蚀剂降低腐蚀程度。

技术方案：

方案1：在输送及储存介质中加入缓蚀剂降低腐蚀程度。

方案2：在轴瓦中间加装新材质提高润滑和保护特性。

方案3：加装液位警报装置。

方案4：加装集散控制系统。

方案5：在输送及储存介质中加入缓蚀剂降低腐蚀程度。

4 技术方案整理与评价

4.1全部技术方案

方案1： 改善注水水质。

方案2：在输送及储存介质中加入缓蚀剂降低腐蚀程度。

方案3：润滑油中添加耐磨剂。

方案4：重新调整机泵同心度。

方案5：将固定泵房变成“可移动”。

方案6： 加装前置泵，采用变频调速技术。

方案7：定期在污水管线中加入无机磷酸盐等油田常用防垢剂。（性能转化法）

方案8：冬天在露天管线外部包裹防冻材料如毛毡。（预制防范法）

方案9：在管线中分段增加可清理小孔滤网夹层。（孔化法）

方案10： 在管线露天部分增加电伴热带适当调节温度。

方案11：在管线内外层中间加入隔热良好的材料，内部加入内置式液体降温器，外部加电伴热保证外部温度，使内部水质低温，外部管线高温，高温不会向低温传导。

提出技术方案：在轴瓦中间加装新材质提高润滑和防护特性。

提出技术方案：加装液位警报装置

提出技术方案：加装集散控制系统。

方案12：在轴瓦中间加装新材质提高润滑和保护特性。

方案13： 加装液位警报装置。

方案14： 加装集散控制系统。

方案 消除矛盾 产生新的危害 成本 　复杂性 可行性 总分 　 排名方案1 　 2 　 2 1 　 1 　 1 　 7 　 4方案2 　 2 　 2 1 　 2 　 2 　 9 　 1方案3 　 1 　 2 1 　 2 　 2 　 8 　 2方案4 　 1 　 2 2 　 1 　 2 　 8 　 2方案5 　 2 　 0 0 　 0 　 1 　 3 　 8方案6 　 2 　 2 1 　 1 　 2 　 8 　 2方案7 　 2 　 2 1 　 2 　 2 　 9 　 1方案8 　 2 　 2 1 　 2 　 2 　 9 　 1方案9 　 1 　 1 1 　 1 　 1 　 5 　 6方案10 2 　 1 1 　 1 　 2 　 7 　 4方案11 2 　 1 0 　 0 　 1 　 4 　 7方案12 1 　 1 1 　 1 　 1 　 5 　 6方案13 1 　 2 2 　 2 　 2 　 9 　 1方案14 2 　 1 1 　 1 　 1 　 6 　 5

图4　系统组成示意图

图5　压力和流量闭环控制系统

4.2方案评价

可实施的方案为：

方案2：在输送及储存介质中加入缓蚀剂降低腐蚀程度。

方案3：润滑油中添加耐磨剂。

方案4：重新调整机泵同心度。

方案6： 加装前置泵，采用变频调速技术。

方案7：定期在污水管线中加入无机磷酸盐等油田常用防垢剂（性能转化法）。

方案8：冬天在露天管线外部包裹防冻材料如毛毡（预制防范法）。

方案13： 加装液位警报装置。

4.3专利预案：增加前置泵，变频调速系统

系统组成：该系统由一台注水泵、一台增压泵（中低压）、注水泵电机、增压泵电机、仪表监控系统、转速控制系统、计算机控制系统、水冷润滑系统、供电系统组成。（图4）

工作原理：注水泵与增压泵串接，通过转速调节系统、计算机仪表监测系统控制增压泵达到控制注水泵的输出压力和流量，从而使注水泵工作在高效区，实现自动调节的目的。（如图5）

4.4后续问题研究：

①设备成本；

②工艺流程完善；

③技术参数测量。

责编/刘红伟