离心泵节能技术的研究及应用

刘 涛

（长庆油田分公司第三采油厂，宁夏银川 750006）

0 引言

离心泵作为喂水、供水、输油系统中的重要设备，按全生命周期计算离心泵运行成本占总成本的65%～80%，由于工艺设备匹配性差、部分选型过大导致“大马拉小车”、出口节流回流损失、以及输送介质腐蚀结垢等因素影响，造成离心泵未在高效区间运行，运行成本居高不下。采油三厂积极应用节能降耗技术，优化离心泵运行参数，有效提高离心泵机组运行效率，大幅降低离心泵用电能耗，对实现油田设备精益管理具有重要意义。

1 采油三厂离心泵运行现状

采油三厂共有各类集输站点362 座，其中联合站14 座，接转站46 座，增压点227 座，脱水站16 座，计量站52 座。共有各类离心输油泵260 台（总功率为18 289 kW），离心供水泵62台（总功率9284 kW），单级离心泵1112 台（总功率4509 kW）。

离心泵运行成本较高的主要原因有4 个方面：①现场工况和离心泵额定参数匹配性差，通过出口闸门调节排量造成憋压，造成离心泵运行过程能耗损失大；②泵体老化，检修多次导致泵体内部叶轮、导叶装配间隙过大，轴向、径向偏磨，运行参数达不到额定参数，泵效较低；③设备选型与输送介质适应性差，主要体现在输送采出水和含氧量高的介质，对叶轮和泵轴等配件的腐蚀，造成离心泵检修频繁；④离心泵配套的电机属于高耗能落后机电设备，电机能耗高。

研究节能措施，应用先进技术和配套高效设备，提高离心泵系统综合效率，对实现油田设备精益管理具有重要意义。

2 离心泵节能降耗技术应用

按照离心泵设备全生命周期管理计算，总成本=采购成本+运行成本+维护成本+管理成本。其中，采购成本一般占总成本的5%～15%；运行成本一般占总成本的65%～80%（主要节能环节）；维护成本一般占总成本的10%～15%（主要节约环节）；管理成本一般占总成本的1%～3%（节约环节）。

实现离心泵设备全生命周期经济运行，首先要实现运行成本最优，才能保证离心泵设备在整个全生命周期内高效运行。

2.1 节能高效离心泵的应用

在原离心泵基础上，加装自平衡系统和轴向间隙调整系统，更换和现场工况相吻合的三元流叶轮导叶，易损件通过设计改进和材料改进，设备运行条件完全和现场设备运行工况相吻合，水力性能、机械性能、维护周期和使用寿命远优于原泵，能效水平相对于原泵可提高10%以上。

采油三厂通过对原有离心泵进行升级改造，同时根据现场实际运行参数需求，合理设计离心泵参数，保证各项参数达到最优，从表1 中可以看出5 台离心泵的平均节电率达到30.77%。

2.2 高耗能离心泵电机更换

高效电机的定义：高效电机指达到或优于《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》（GB 18613—2012）标准中节能评价值的电机。高效电机通过降低电动机定子绕组电阻损失、电动机转子绕组电阻损失、电动机铁耗损失、电动机杂散损失、电动机摩擦损失及流动损失，提高电动机效率。目前广泛应用的Y系列电动机效率平均值为87.3%；高效电动机的效率平均值为90.3%，超高效电动机其效率平均值为91.7%。

采油三厂通过对7 台Y 系列离心泵电机（总功率为1342 kW）更换为2 级的高效节能电机后，有效提高了离心泵电机效率。更换后电机效率提高3%，按照平均负载率80%，利用率0.7 计算，每年可节约电量=1342×24×365×3%×80%×0.7=19.74 万kW·h，年节约电费=19.74×0.64=12.64 万元。

表1 离心泵改造前后数据对比

表2 离心泵5 级改4 级前后数据对比

2.3 离心泵常规调节方式

2.3.1 叶轮外径切割

利用切割叶轮的方法改变离心泵特性时，叶轮外圆切割量不能太大，否则会引起泵效降低过多，最大切割量与比转速有关，比转速越大，允许的切割量越小。离心泵叶轮直径切割变小后，对应的流量、扬程、轴功率都表小，同时改变了泵的曲线。一般推荐叶轮直径3%以下的切割量，超过了此切割量，叶轮外径和导叶之间的空间加大会产生涡流，使泵的效率大幅降低，并且会加大不平衡的轴向和径向力，引起泵的振动。

2.3.2 离心泵抽级

离心泵在扬程过高且流量适当的情况下，要实现节能可通过减少叶轮级数，降低泵的扬程来实现。抽级改造就是去掉富余扬程的叶轮，通过减少叶轮级数，降低泵的扬程来实现，从而有效达到了节能的目的。

根据现场实际运行参数需求，对原有离心泵叶轮进行抽级，保证各项参数达到最优，从表2 中可以看出离心泵由5 级抽级为4 级，日节电率下降40.8%，节电效果明显。

2.3.3 变频调节

用改变电机频率的方式降低泵转数，而达到节能降耗的目的，但是流量和转数是倍率关系见式1，扬程是转数平方的关系见式2，轴功率是转速立方的关系见式3。

式中：Q2、H2、P2、n2为调速后的实际流量、扬程、轴功率、转速；Q1、H1、P1、n1为额定流量、扬程、轴功率、转速。

从表3 中可以看到，30 Hz 运行电流下降73%，25 Hz 运行电流下降82%，20 Hz 运行电流下降88%，可以看到通过变频器调节节电效果明显。

同时在对单级离心泵热水循环泵加装变频器降低转速运行的同时，在满足现场正常换热需求的同时，降低了电能损耗，降低了管线内杂质对换热暖气片的冲刷，降低了憋压运行电机电流满载造成的电机频繁烧坏问题，降低了因憋压造成的机封漏失问题，消除了憋压运行的噪音，实现了换热系统高效运行。

2.4 其他方式

针对部分站点介质腐蚀、结垢严重，叶轮使用寿命短、频繁检修问题，引进纳米涂层技术。离心泵叶轮易结垢问题，通过将泵叶轮进行防垢耐蚀纳米涂层加工，经现场应用试验，检泵周期延长3 倍，单台泵年可节约维修及材料费5.72 万元；叶轮结构情况得到有效解决，泵效提高。叶轮改造前后效果对比见表4，离心泵叶轮涂层处理前后效果如图1 所示，为该项技术下一步扩大应用奠定了基础。

表3 热水循环泵不同频率下运行电流测试数据

表4 叶轮改造前后效果对比

图1 离心泵叶轮涂层处理前后效果

2.5 离心泵节电效果（表5）

表5 离心泵改造节能效果

采油三厂结合现场运行实际参数，通过离心泵叶轮抽级、叶轮切削、加装变频器，使用高效离心泵等技术，累计实现改造360 台，节约电费1320 万元，起到了良好的经济效率。

3 结束语

从设计者角度考虑，在设计之初需要将流量和扬程的裕量相应的提升10%～15%，实现离心泵安全平稳运行目标，但弊端就是相应地提升了离心泵的能量损耗，形成更大的经济浪费。所以作为设备管理人员需要结合现场实际参数和离心泵额定参数，选取最佳的离心泵改造方式，保证工艺设备匹配性，使离心泵在高效区间运行。