双螺旋转子泵在油田污水处理系统中的应用

任尧（大庆油田有限责任公司第二采油厂）

1 污水回收螺杆泵应用现状

截止2021 年底，某单位在用污水回收[1-2]螺杆泵87 台，以E2H6300N-P-W112 型为主，占比38%，其中服役10 a 以上泵61 台，6～10 a 26 台。

随着油田化学驱开发规模的加大，以及聚表剂、深调、压驱等开发技术的推广应用，采出液特性发生改变，成分日趋复杂，污水中出现大量聚合物胶质物质和固体悬浮物污泥，污水站回收水池内的反冲洗水实际是由污水、污油、大量聚合物胶质物质、污泥、锈垢泥砂杂质和滤料等组成的混合物[3-5]。

由于回收的介质成分复杂，黏度大、流动性变差[6-7]，并且随着温度变化，污油出现凝固或半凝固状态，螺杆泵抽吸输送的介质呈现为液体、半固体、固体极不匀质混合状态，均质性极差，导致螺杆泵运行状况很不稳定。导致泵件维修周期短，维修费用高，在当前形势下无法做到“按需维修”。一般情况下以维持运行为主，在排量严重下降或无泵可运时再进行检修，污水站污水回收螺杆泵大量长期处于带病运行状态，给生产管理带来很大难度。污水单螺杆泵运行数据统计见表1，某单位螺杆泵问题主要体现在以下四个方面：

表1 污水单螺杆泵运行数据统计Tab.1 Statistics of operation data of sewage single screw pump

1）螺杆泵的定子采用过盈配合，摩擦阻力较大，配套电动机功率比较大，单耗较高。随着使用运行定子、转子的磨损，效率大幅下降，与投产或维修运行初期对比，单耗大幅增加，高达40%以上。以连续跟踪对比的A 污水站3#污水回收泵为例，单螺杆泵型号为E2H6300N，配套的电动机为YB280M-8-45 kW，连续检测8 个月的运行数据（8个月后更换了橡胶定子和转子）。污水单螺杆泵运行数据统计见表1。从表1 中可看出单耗最初比较稳定，平均为0.303 kWh/m3，运行3 个月后单耗逐渐增加，升至0.355 kWh/m3，6 个月后单耗升到0.432 kWh/m3，单耗增加42.3%。

通过对全部污水站污水回收螺杆泵的能耗情况进行统计，目前平均单耗在0.4 kWh/m3左右，与投产初期相比增幅15%～20%，能耗较高。

2）由于螺杆泵的运行环境较差，无论是新投运的泵，还是维修后的泵，一般2个月或半年左右，开始出现问题，泵效不断下降。螺杆泵易损零件较多，出现问题维修时，每次维修定子、转子均需更换，甚至更换万向节、减速箱，由于维修费用过高，一般采取拖延维修带病维持运行的应对方式，直至无泵可运。经统计年均维修1.5 次，主要是更换定子、转子、万向节，或是减速箱，每次维修小泵费用约6万元～7万元，大泵高达13万元，价格高昂。

3）环境噪音测试高达98 dB，对员工身心健康带来了不利影响。

4）由于螺杆泵固有结构特点，螺杆泵机组的安装占地较大，在泵房的有限空间内，维修操作空间不足。同时，检维修劳动强度较大，每次维修需2～3 人，维修工时约4～5 个工作日。尤其是更换大规格泵的定子时，劳动强度更大，维修时间更长，对正常生产管理有很大影响。

2 双螺旋转子泵应用情况

针对上述问题，选用成熟的双螺旋转子泵对其替换。替换时，优先考虑对三元、聚驱污水站等水质较差的站进行替换，其次对水驱污水站中机泵损坏严重、维修费用高的站进行替换。选用的双螺旋转子泵流量均与原螺杆泵相同，管线敷设形式均尽量与原型一致。

2.1 结构原理

双螺旋转子泵[8]采用容积式泵的设计原理，结构设计独特，内部是一对相向旋转的转子，密封腔内表面采用特殊耐磨涂层喷涂工艺。转子外面包覆特殊硫化耐磨橡胶，在旋转过程中形成连续的容积腔室，具有高自吸能力；转子通过同步齿轮传动，转子之间无接触的特点，可以允许在无介质的情况下运转；橡胶转子具有一定的弹性比，可通过一定直径的颗粒，对污油水混合流体介质适应性更强。前端的传动箱中，内有同步齿轮和双轴承，具有独立润滑和冷却能力，运行时转子不会产生噪音和振动，而且独立的密封腔室设计，保证了密封不会向外泄漏，不会污染工作环境；装置轴向距离短，内部结构紧凑，占地空间更小。

2.2 特点

具有容积式泵的高效率、低能耗、高自吸（自吸高度可达到8.5 m）、低噪音、低振动、运行平稳的特点，而且对输送介质无剪切、无脉动，排量与扬程稳定。后期维护费用低、易损零件少。内置“防干运转自动控制系统”及进口真空检测系统，有效降低供液异常、无介质断液、异物卡阻等异常情况对机泵设备的损伤，进一步延长维修周期，降低生产维护成本[9]。

2.3 现场试验情况及应用效果

A 污水站2016 年3 月进行现场试验，将3#单螺杆泵更换为双螺旋转子泵，现场装置主要包括双螺旋转子泵、高效防爆电动机、防干运转保护装置、进口真空检测装置、控制箱、公用底座、钢弹性柱销联轴器、进出S 型特型接管、防护罩等。更换前后对比，在泵排量保持不变的情况下，装机功率下降51%，电流下降43%、单耗下降50%。自2016 年初运行到现在，运行状态平稳，振动及噪音均下降，得到一线管理人员认可。A 污水站单螺杆泵与双螺旋转子泵运行数据对比见表2。

表2 A 污水站单螺杆泵与双螺旋转子泵运行数据对比Tab.2 Comparison of operating data between single screw pump and double screw rotor pump in sewage station A

B 污水站对2 台排量120 m3/h 的污水螺杆泵替换为同排量的双转子螺旋泵，装机功率下降51%，电流下降46%、单耗下降51.5%、日耗电下降19.6%。2 套装置均一次开车调试成功，2019 年运行至今，各项性能参数指标稳定，振动、噪音都很低，一线管理工人对装置运行效果非常满意。B 污水站单螺杆泵与双螺旋转子泵运行数据对比见表3。

表3 B 污水站单螺杆泵与双螺旋转子泵运行数据对比Tab.3 Comparison of operating data between single screw pump and double screw rotor pump in sewage station B

通过各项数据对比，双螺旋转子泵性能要优于同工况的螺杆泵：单耗下降50%左右，单泵最低节电382.50 kWh/d，节能降耗效果非常显著；日常维护仅需更换密封垫、润滑油，维修费用仅为几百元。该泵运行6 a 后才维护转子、轴承等主体结构，年均维护费用约1 万元以内；振动、噪音分别下降38%、14%。

2.4 推广应用情况及应用效果

2.4.1 其它污水站应用效果

鉴于A、B 污水站应用双螺旋转子泵取得良好效果。某单位分两批次推广应用9 台双螺旋转子泵，第一批次至今已投运5 a，第二批次至今运行4 a。排量120 m3/h 泵装机功率22 kW，排量50 m3/h 泵装机功率11 kW，运行电流较小，均低于20 A，单耗均低于0.2 kWh/m3，最小单耗仅为0.09 kWh/m3，节能效果显著；现场运行稳定，仅有2 台因更换联轴器固定销弹性发生简单维修，其余泵长期稳定运行，与A、B 污水站试验泵情况基本相符[10]。在运双螺旋转子泵运行数据见表4。

表4 在运双螺旋转子泵运行数据Tab.4 Operating data of double-screw rotor pump in operation

2.4.2 卸油点应用效果

经调查，该泵在外围油田单位卸油点也进行推广应用。卸油点来液主要有老油井产液、提捞油井产液、落地污油、含油压裂液、各种零星污水，且来液量不均衡。内含污油、老化油、污水、泥沙、岩屑等，在加热或降压过程中，污油还能析出气体，在螺杆泵输送过程中，尤其在泵腔体内，经常形成气—液—固三相混合的状态，造成泵故障率高，粗略统计每天发生故障检修2～3 次，维修成本高，影响正常生产运行。

卸油点介质条件差，要求输送泵要有强大的自吸力、强大的混输能力、耐磨、泵体抗气蚀、震动小。2018 年该单位在某卸油点应用1 台60 m3/h 双转子螺旋泵，投入运行至今，装置运行状态非常稳定，性能指标基本保持不变，检维护频率基本维持在9 个月左右，特别是经过冬季运行的考验。以前的设备的运行状况和维修频率相比，不可同日而语。实践表明，双螺旋转子泵适应介质范围更广，尤其在处理低品质介质时，优势更加明显。

3 经济评价

评价期为10 a，电费（不含税）按0.706元/kWh 计算。根据大庆油田有限责任公司经济评价方法及参数选取标准（2023），外购电价（不含税）为0.706 1 元/kWh。螺杆泵更换为双螺旋转子泵后，平均单台能耗下降30%，单台装置年节省电量约3.2×104kWh，约节省电费2.25 万元（日工作按12 h连续运行，年连续运行365 d 计），保守计算年节约维修费用8 万元。每年节约费用生产维修成本10.25 万元。依据经济效益评价分析相关标准分析计算，项目在整个生产期内增量投资回收期为4.08 a，单项投资回收期小于生产期10 a，高于行业规定标准，在经济上是可行的。

4 结论

通过实际应用评价分析来看，污水站污水回收工艺应用双螺旋转子泵具有占地小、皮实耐用、维护费用低、能耗低、振动小、噪音低的优势，在原有站场改造应用及新建站场应用方面均具备进一步推广潜力。

通过与同类型站相近参数的螺杆泵进行对比分析，双螺旋转子泵性能要优于同工况的螺杆泵。一是能耗低，单耗下降20%以上，节能降耗效果非常显著；二是维护费用低。日常维护仅需更换密封垫、润滑油，维修费用仅为几百元，应用螺杆泵的污水站站年均维修费用在5 万元—10 万元左右；三是振动小、噪音低，振动、噪音与改造前相比明显降低。