柱塞式注水泵結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)化研究

李殷海 田大志 李沫 楊占濤

（1.大慶油田有限責(zé)任公司第八采油廠；2.吉林油田分公司新木采油廠；3.大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

因原油的開采難度逐年增大，所以油田普遍采用注水驅(qū)油的方式，保持對(duì)地層的壓力，提高采出率[1]。注水泵是注水驅(qū)油的主要地面動(dòng)力設(shè)備，注水泵機(jī)組消耗的電能約占油田開發(fā)電能消耗的25%。地層壓力較高的小區(qū)塊油田使用柱塞式注水泵作為注水系統(tǒng)的地面動(dòng)力設(shè)備，由于自身結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，很多關(guān)鍵環(huán)節(jié)都會(huì)使柱塞泵實(shí)際運(yùn)行效率較低，電能損耗增加。因此，需要對(duì)柱塞泵相關(guān)結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行優(yōu)化，以提升注水系統(tǒng)效率，推進(jìn)設(shè)備節(jié)能降耗[2]。

1 工作原理及應(yīng)用現(xiàn)狀

柱塞式注水泵依靠柱塞在工作腔中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使工作腔的容積發(fā)生變化來(lái)實(shí)現(xiàn)吸液、排液。柱塞泵通過(guò)曲軸的偏心轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其吸入和排出閥都是單向閥。當(dāng)柱塞外拉時(shí)，工作腔壓力降低，排出閥關(guān)閉，低于進(jìn)口壓力時(shí)，進(jìn)液閥開啟，液體進(jìn)入；柱塞內(nèi)推時(shí)，工作腔壓力升高，進(jìn)液閥關(guān)閉，高于出口壓力時(shí)，排出閥開啟，液體排出。當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，曲軸通過(guò)連桿、十字頭將柱塞從工作腔中拉出或推回完成吸液和排液過(guò)程。

大慶油田某注水站共有5 臺(tái)柱塞式注水泵，投產(chǎn)于2012 年，承擔(dān)四個(gè)班組的注水任務(wù)，共負(fù)責(zé)轄區(qū)內(nèi)176 口注水井，管網(wǎng)長(zhǎng)度為19.8 km，平均泵壓18.5 MPa。其中4 臺(tái)為5DS-34/25 型，1 臺(tái)為5S175-37/25 型。2 臺(tái)5DS-34/25 型泵采用變頻驅(qū)動(dòng)，其他泵采用工頻驅(qū)動(dòng)，正常運(yùn)行3 臺(tái)工頻泵、1 臺(tái)變頻泵，全天注水量為2 941 m3，平均泵效為77%，平均注水單耗為7.82 kWh/m3。

2 影響注水能耗原因分析

通過(guò)對(duì)柱塞泵結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行深入研究，確定柱塞泵的密封和運(yùn)行方式是其節(jié)能的主要突破口。

2.1 密封對(duì)注水能耗的影響

2.1.1 柱塞泵填料函漏失

柱塞泵填料函填料過(guò)松時(shí)會(huì)造成漏失量大，容積損失就會(huì)增加，導(dǎo)致注水單耗升高；填料函填料過(guò)緊時(shí)會(huì)造成電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流升高，電力損耗增大，所以密封填料過(guò)松或過(guò)緊都會(huì)造成注水單耗升高[3]。對(duì)注水站4 臺(tái)柱塞泵填料函密封填料進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)：密封填料漏失量在15 滴/min、30 滴/min、50 滴/min 時(shí)，柱塞泵日損失水量分別為2.2 m3、5.5 m3、9.5 m3，因此密封填料漏失量增大，導(dǎo)致?lián)p失水量增大、注水單耗升高；密封填料漏失量減少時(shí)，如10 滴/min 時(shí)，柱塞泵日損失水量只有1.8 m3，但是機(jī)組運(yùn)行電流平均上升0.5 A，注水單耗升高。對(duì)4 臺(tái)泵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，柱塞泵填料函密封填料松緊對(duì)注水量及能耗的影響情況見(jiàn)表1。當(dāng)密封填料漏失量平均15 滴/min 時(shí)，平均注水單耗降低0.01 kWh/m3。由此可以看出，柱塞泵填料函密封填料漏失量過(guò)大會(huì)造成注水單耗升高，電能損失增大。

表1 柱塞泵填料函密封填料松緊對(duì)注水量及能耗的影響情況Tab.1 Influence of sealing packing looseness and tightness of plunger pump on water injection and energy consumption

2.1.2 組合閥漏失

組合閥是柱塞泵內(nèi)的重要組件，主要由閥體、進(jìn)液閥板、排液閥板、彈簧等部件組成。當(dāng)柱塞內(nèi)推時(shí)，工作腔內(nèi)容積減小，壓力增高，進(jìn)液閥板關(guān)閉，排液閥板打開，泵排出液體；當(dāng)柱塞外拉時(shí)，工作腔容積增大，壓力降低，在排出壓力及彈簧的作用下，排液閥關(guān)閉，進(jìn)液閥打開。進(jìn)液閥板和排液閥板的主要作用是把工作腔與進(jìn)、排液管路隔離，實(shí)現(xiàn)吸、排液體的功能。

從組合閥的工作原理可知，當(dāng)進(jìn)液閥板與閥體密封不嚴(yán)時(shí)，柱塞在內(nèi)推過(guò)程中，工作腔內(nèi)的受壓液體就會(huì)沿進(jìn)液閥板與閥體漏失處流回到吸入口，使排出液體減少。當(dāng)排出閥板與閥體密封不嚴(yán)，柱塞外拉吸入液體時(shí)，排出管路的高壓水會(huì)沿密封不嚴(yán)處的間隙回流到工作腔，同樣使泵的實(shí)際排出量減少。對(duì)注水站運(yùn)行的4 臺(tái)柱塞泵進(jìn)行測(cè)試，并且保持注水單耗不受其他因素影響，柱塞泵組合閥使用周期與注水單耗對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 柱塞泵組合閥使用周期與注水單耗對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.2 Correspondence between service life of combination valves and the unit consumption of water injection for plunge pump

根據(jù)表2 可以看出，新組合閥使用前30 d 對(duì)排量影響較小，隨著組合閥使用時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)柱塞泵的排量和注水單耗影響逐漸增大。到第120 d時(shí)，排量下降19.12%，注水單耗增加0.81 kWh/m3。原有4 臺(tái)泵不能滿足注水需求，需要增加運(yùn)行泵數(shù)量來(lái)滿足注水需求，增加了電能消耗。

2.1.3 泵頭內(nèi)密封圈老化

柱塞泵主要由兩個(gè)部分組成，一是將原電動(dòng)機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力端，主要起傳遞能量的作用；二是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體壓力能的液力端，是柱塞泵對(duì)液體作功的主要部分。從液力端的結(jié)構(gòu)可知，液力端內(nèi)部使用了丁睛密封圈作為高、低壓力能量隔離的主要部件。丁睛密封圈的密封原理：在壓力作用下，高壓水對(duì)密封圈產(chǎn)生擠壓，使密封圈與被密封部位貼合更緊密實(shí)現(xiàn)密封作用[4]。但是在大量的維修記錄中發(fā)現(xiàn)，柱塞泵運(yùn)行一定時(shí)間后，密封圈邊緣有過(guò)水痕跡，雖然這部分漏失水量很小，但是也會(huì)增加能耗，降低注水效率。

2.2 運(yùn)行方式對(duì)注水能耗的影響

該注水站有5 臺(tái)柱塞式注水泵，根據(jù)地質(zhì)注水要求，注水泵的運(yùn)行方式主要有兩種，一種是工頻運(yùn)行，一種是變頻運(yùn)行。該注水站在2 臺(tái)5DS-34/25型泵上安裝了變頻驅(qū)動(dòng)裝置。該站正常運(yùn)行3 臺(tái)工頻泵，1 臺(tái)變頻泵即可滿足注水，對(duì)變頻器與出水匯管壓力進(jìn)行閉環(huán)控制，變頻器的運(yùn)行頻率通過(guò)實(shí)際壓力值與設(shè)定壓力值進(jìn)行比較并自動(dòng)調(diào)節(jié)，以保證注水壓力。通過(guò)變頻運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)供水和柱塞泵經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[5]。

根據(jù)柱塞泵的特性，當(dāng)柱塞泵運(yùn)行一定時(shí)間后，因密封填料漏失量、組合閥漏失量增多等原因，導(dǎo)致注水泵排量下降，出水匯管壓力降低，變頻運(yùn)行泵頻率達(dá)到50 Hz，運(yùn)行4 臺(tái)泵已經(jīng)不能滿足注水需求，另一臺(tái)變頻泵自動(dòng)投運(yùn)。原變頻泵轉(zhuǎn)工頻狀態(tài)運(yùn)行。理論上認(rèn)為變頻器在50 Hz 運(yùn)行時(shí)，本身要消耗電量，會(huì)比工頻運(yùn)行多消耗能量，但是沒(méi)有考慮到在變頻運(yùn)行狀態(tài)下功率因數(shù)高的因素，為此對(duì)該注水站2 臺(tái)同型號(hào)泵在相同工況下運(yùn)行情況進(jìn)行對(duì)比，50 Hz 變頻與工頻運(yùn)行參數(shù)對(duì)照情況見(jiàn)表3。從表3 中可以看出，同樣50 Hz 狀態(tài)下，變頻驅(qū)動(dòng)電流低于工頻驅(qū)動(dòng)運(yùn)行電流3.08 A，日節(jié)電量41.83 kWh。

表3 50 Hz 變頻與工頻運(yùn)行參數(shù)對(duì)比情況Tab.3 Comparison between 50 Hz frequency and frequency operating parameters

3 結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化措施

3.1 密封優(yōu)化

3.1.1 更換柱塞表面噴涂材料

柱塞是柱塞泵對(duì)液體做功的主要部件，柱塞表面與密封填料貼合形成密封作用。在柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，柱塞表面與密封填料形成磨擦。現(xiàn)柱塞由45#鋼加工成型，表面噴涂60Ni 基體合金粉末來(lái)提高硬度和耐磨性。柱塞理論使用壽命2 400 h，由于油田污水含有細(xì)菌，腐蝕性強(qiáng)，礦化度較高，且含有機(jī)械雜質(zhì)，在實(shí)際運(yùn)行480 h 后，柱塞表面就會(huì)出現(xiàn)拉傷，密封漏失量逐漸增多，運(yùn)行到1 200 h后報(bào)廢，因此需要對(duì)柱塞表面進(jìn)行優(yōu)化以提高耐磨性和抗腐蝕性。

研究發(fā)現(xiàn)，WC-10Co-4Cr/MoS2 復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)在0.3～0.35，溫升變化小于60Ni。含15%的MoS2 涂層柱塞在與密封填料摩擦?xí)r，能在兩摩擦表面之間不斷形成一層連續(xù)、均勻的薄膜，起到很好的自潤(rùn)滑作用，能夠降低柱塞表面與填料磨擦?xí)r產(chǎn)生的溝痕[6]，可以減少密封填料漏失的水量損失，同時(shí)延長(zhǎng)柱塞使用壽命，降低注水單耗。優(yōu)化后柱塞平均使用壽命達(dá)到3 600 h（150 d）。柱塞及填料函優(yōu)化前后對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 柱塞及填料函優(yōu)化前后對(duì)比Tab.4 Comparison between plunger and stuffing box before and after optimization

3.1.2 改變柱塞與中間桿連接方式

原柱塞泵柱塞與中間桿連接方式是螺紋連接。柱塞一端帶有外螺紋，中間桿帶有內(nèi)螺紋，兩者通過(guò)螺紋旋合的方式連接到一起。由于加工精度的原因，箱體與泵頭、填料函安裝之后會(huì)產(chǎn)生累積誤差，很難保證柱塞與填料函同心度，導(dǎo)致填料單邊受力。柱塞泵在運(yùn)行中，填料一邊因受力過(guò)大與柱塞磨損嚴(yán)重，一邊因受力小達(dá)不到密封效果，增大了漏失量，同時(shí)也加速了柱塞表面、密封填料磨損，形成惡性循環(huán)。

為此，將原螺紋連接方式變成卡箍連接，卡箍與中間桿在圓周方向上固定，與柱塞在軸線方向上固定，改進(jìn)后連接原理圖見(jiàn)圖1。柱塞在填料函內(nèi)通過(guò)填料自然找正，填料受力均勻，不存在單邊磨損嚴(yán)重、漏失量大的問(wèn)題。改變柱塞與中間桿的連接方式后，保證密封填料的漏失量在15～20 滴/min，這樣會(huì)使電力損失最小，平均注水單耗降低0.1 kWh/m3。

圖1 改進(jìn)后連接原理圖Fig.1 Connection schematic after the improvement

3.1.3 調(diào)整組合閥工作狀態(tài)

組合閥密封原理是靠進(jìn)液閥板、排液閥板與閥體的貼合，形成面密封從而實(shí)現(xiàn)工作腔與管路的隔離。當(dāng)兩密封面之間有粒狀雜質(zhì)或因高壓水沖蝕形成點(diǎn)狀及溝槽狀缺陷時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)密封不嚴(yán)問(wèn)題，產(chǎn)生內(nèi)漏，導(dǎo)致注水單耗升高。

調(diào)查結(jié)果顯示，新組合閥在使用到60 d 時(shí)，單耗升高較多，成為拐點(diǎn)。根據(jù)電能損失及檢修工時(shí)費(fèi)用對(duì)比，確定以45 d 為檢修周期，減少組合閥密封性能對(duì)單耗的影響。

組合閥密封性能降低的主要原因是閥體的閥板密封面受高壓水沖蝕產(chǎn)生點(diǎn)狀及溝槽狀缺陷，檢修的主要目的是消除這些缺陷，因此研制了變頻調(diào)速閥板研磨機(jī)（圖2）。變頻調(diào)速小型研磨機(jī)包括變頻器、電動(dòng)機(jī)、主轉(zhuǎn)軸及磨盤等部件組成。

圖2 變頻調(diào)速閥板研磨機(jī)Fig.2 Frequency conversion speed regulating grinder

工作過(guò)程：將被研磨的工件通過(guò)萬(wàn)向節(jié)夾具夾持在主軸上，通過(guò)調(diào)整下壓機(jī)構(gòu)的配重使被研磨的工件安放在磨盤上；先啟動(dòng)主軸電動(dòng)機(jī)，主軸帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)；主軸電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，再啟動(dòng)磨盤電動(dòng)機(jī)；機(jī)器全部啟動(dòng)后就形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)研磨后再使用研磨板二次研磨，使表面結(jié)構(gòu)及平面度都能達(dá)到要求。該變頻調(diào)速小型研磨機(jī)具有如下特點(diǎn)：①主軸與磨盤旋轉(zhuǎn)不在同一軸線上，即保護(hù)了磨盤又提高了研磨精度；②采用雙變頻器控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可根據(jù)研磨情況隨時(shí)調(diào)整研磨轉(zhuǎn)速。

應(yīng)用效果證明，研磨后的組合閥可恢復(fù)到新組合閥狀態(tài)，組合閥研磨應(yīng)用與單耗對(duì)照情況見(jiàn)表5。通過(guò)表5 與表2 對(duì)比可以看出，實(shí)施組合閥研磨措施后，經(jīng)過(guò)兩個(gè)研磨周期組合閥使用天數(shù)達(dá)到135 d 時(shí)，與不經(jīng)過(guò)研磨使用120 d 對(duì)比，排量提升6.22 m3/h，注水單耗降低0.71 kWh/m3，與該站原正常運(yùn)行注水單耗（7.82 kWh/m3）相比降低0.40 kWh/m3。每個(gè)組合閥可進(jìn)行5 次研磨利用，組合閥研磨技術(shù)的實(shí)施，節(jié)省組合閥更換成本，年節(jié)約組合閥更換費(fèi)用12.5 萬(wàn)元；同時(shí)保證了柱塞泵始終處于高效運(yùn)行狀態(tài)，在延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命上起到了關(guān)鍵作用[7]。

3.2 合理設(shè)置變頻驅(qū)動(dòng)方式

電動(dòng)機(jī)變頻控制方式有多種，油田注水系統(tǒng)常見(jiàn)的控制方式包括使用PID 控制器和變頻器內(nèi)置PID 控制器兩種控制方式。PID 控制方式穩(wěn)定性好，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于注水系統(tǒng)管網(wǎng)復(fù)雜，具有不穩(wěn)定性等缺點(diǎn)。注水工況的復(fù)雜多變，導(dǎo)致利用常規(guī)PID 很難達(dá)到理想效果，另外由于PID 參數(shù)設(shè)定難度大，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，員工很難確定最佳參數(shù)，控制效果不是很好。提出了用模糊PID代替常規(guī)PID 的控制方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，模糊控制方式調(diào)節(jié)時(shí)間快，抑制干擾和克服振蕩的能力比較強(qiáng)[8-10]，同時(shí)模糊控制具有節(jié)約電能的作用。

改變變頻器控制方式：當(dāng)一臺(tái)變頻器運(yùn)行頻率達(dá)到50 Hz 時(shí)，另一臺(tái)變頻泵啟動(dòng)，同時(shí)原變頻泵仍然保持變頻運(yùn)行。在表3 中體現(xiàn)出變頻50 Hz 運(yùn)行電流低于工頻運(yùn)行電流3.08 A，日節(jié)電量41.84 kWh，另一臺(tái)變頻運(yùn)行泵注水單耗為7.33 kWh/m3，低于工頻運(yùn)行0.05 kWh/m3。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)柱塞式注水泵結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行優(yōu)化，可以大幅降低機(jī)泵維修費(fèi)用，降低電能消耗，節(jié)約油田開發(fā)成本，還可以提高注水驅(qū)油效率，從而實(shí)現(xiàn)油田穩(wěn)定增產(chǎn)的目的。

1）定期調(diào)整柱塞泵填料函填料松緊度，每8 h進(jìn)行一次檢查調(diào)整，填料函漏失量控制在15～20 滴/min 之間，單耗降低0.01 kWh/m3。

2）通過(guò)優(yōu)化柱塞表面、連接卡子結(jié)構(gòu)，減少材料消耗，柱塞及填料函使用壽命也由原來(lái)的2 400 h 延長(zhǎng)到3 600 h，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3）通過(guò)定期研磨組合閥表面，單泵注水單耗平均降低0.40 kWh/m3。年節(jié)約組合閥更換費(fèi)用12.5萬(wàn)元。

4）通過(guò)合理設(shè)置變頻驅(qū)動(dòng)方式，能變頻驅(qū)動(dòng)不用工頻驅(qū)動(dòng)，同時(shí)提高功率因數(shù)，降低電能消耗，注水單耗控制在7.60 kWh/m3以下，低于油田管理指標(biāo)。

通過(guò)以上優(yōu)化措施的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了注水單耗和維修材料費(fèi)用下降，柱塞泵平均單耗保持在7.42 kWh/m3以下，全年累計(jì)節(jié)約成本76.2 萬(wàn)元，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，為柱塞式注水泵的應(yīng)用及節(jié)能降耗工作提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。