油田注水设备的优选

油田注水设备的优选

许文龙

王宝月吴水柱

崔兵兵（中国石油天然气管道工程有限公司天津滨海分公司天津３００２８０）

转数关系不大，而与泵的大小有关，ηh=1+0.0835式中：Ｑ：泵的设计排量（ｍ３／ｓ）ｎ：泵的转速（ｒ／ｍｉｎ）

泵的总效率为上述三种效率之积。图１给出了单机离心泵、混流泵和轴流泵与比转数和排量的关系。

由上图可见，离心泵的效率范围从３６％￣９０％。同一排量的泵，比转数ｎｓ大约在１６０时，泵的效率最高。以注入量７０Ｌ／ｓ，注水系统压力２０ＭＰａ为例，若运转１台泵，选择单级扬程１５９ｍ的１３级离心泵，其比转数经计算为６４，查上图可得知其效率为７６％，轴功率计算为１８８９ｋＷ，电功率为２０９９ｋＷ。若运转２台泵，则比转数为４５，效率下降到６８％。轴功率为２１１１ｋＷ，电功率为２３４５ｋＷ。由上述方法得到的效率为这一性能离心泵效率的上限，略高于设备说明书的标定效率。离心泵与原动机一般采用键连接传动，传动效率为１００％。所以上述效率既为泵的总效率。

泵的排量需进行调节，可以通过调节阀、回流和调节电机转速来实现。用回流调节将造成大量的能量浪费，一般不宜采用。通过调节阀调节（泵恒转速）与变频调速的运行参数对照见表２。

表２泵恒转速与变频调速运行参数对照表

排量（%）

摘要：本文通过对注水设备的效率、性能及使用维护进行比

较，提出了注水设备的优选的原则。

关键词：柱塞泵；离心泵

油田常用的注水升压设备有２种，柱塞泵和离心泵。以下就排量、排出压力、效率等性能参数及维修、维护、设备价格等方面对这两种泵进行对比。一、离心泵

离心泵的性能范围很广。油田注水采用的离心泵均为多级离心泵，其扬程在１５００ｍ￣２５００ｍ之间，最高可达３０００ｍ。排量一

３３

般较大，从４０ｍ／ｈ￣５００ｍ／ｈ。轴功率从几百到数千千瓦，所以一般采用高压电机拖动。

离心泵在设计时，其效率可根据计算确定，依其排量和比转数，效率范围从３６￣９０％。高扬程、排量不高的泵效率一般不是很高。泵内的损失分为机械损失、容积损失和水力损失，与之相应泵的效率分为机械效率、容积效率和水力效率，三种损失之和为泵的总损失，三种效率之积为泵的总效率。

机械效率基本受比转数控制，机械效率ηｍ与比转数ｎｓ的关系如下：

ηm≈

ns

根据上式估算泵的机械效率见表１。表１ηｍ与ｎｓ关系数据表

ｎｓηｍ

５０８６．５

１００９３

２００９７

比转数64656061５６５７５２５３４８４９

效轴功电功泵扬调速后

节电百

率率率程节电量

分率(%)

（kW）（kW）（m）（kW）76767575７３７３７１７１６９６９

容积效率ηｖ受控于泵的泄漏量ｑ，对于分段式多级泵，容积效率表示如下：

ηm=

1++式中：ｑ：密封环处泄漏量ｑ１：轴向力平衡机构处泄漏量Ｑ：泵的排量

水力效率ηｈ通常只能用经验公式进行估算。其值与泵的比

恒转10速0

调速

恒转速调速恒转速调速恒转速调速恒转速调速

188920992067182720312000176119562113166718522000１６２３１５２２１４６９１３６９１２９５１２０８

１８０３１６９１１６３２１５２１１４３９１３４２

２１３２

683.2

901045.3

８０１１２

２０００２１４５

１１１

２０００２１４５

９７

２０００

６．２

７０６．８

６０６．７

单级离心泵、混流泵和轴流泵可达到的效率范围与比转数及流量

的关系（图１）

表２中电机效率按９０％计算。由上表可见，增加变频调速之

后，节电百分率从３．２％￣６．８％，按注水量匀速递减考虑，平均节电百分率为５．６４％。按电机平均运行功率１８００ｋＷ计算，年平均节电８９万度。曾加变频调速的工程费用约３３０万元（其中变频器和变频用变压器设备费３００万元，配专用变频电机设备增加费２０万元，施工费１０万元），按电费０．５元／度计算，投资回收期为７．２年，内部收益率５％，财务净现值－３４１．３７万元，经济上不可行。

经计算电费高于０．６２元／度时，经济上可行。变频调速投资较大，节电效果不是很明显，不推荐采用，用调节阀调节流量即可满足生产需要。二、柱塞泵

柱塞泵是容积式泵，其性能特点是在设计工况范围内排量与排出压力无关，为一常数。一般适用于输送高粘度、大比重的液体，排出压力较高而排量相对不大。排出压力为２０ＭＰａ时排量一般不大于３０ｍ３／ｈ，排出压力２５ＭＰａ时排量一般不大于２４ｍ３／ｈ。轴功率一般不超过２００ｋＷ，采用低压电机拖动。

近年来，开始出现大排量的高压柱塞泵，重庆水泵厂生产的３Ｄ９－１０５／２２型柱塞泵，额定排出压力２２ＭＰａ时，排量可达１０５３

ｍ／ｈ。其轴功率达到７５０ｋＷ以上，采用高压电机拖动。大港油田中成机械制造有限公司生产的最大型的柱塞泵，额定排出压力

３

２０．７ＭＰａ时，额定排量为４２ｍ／ｈ，配低压电机功率为３１５ｋＷ。

柱塞泵在设计时，其效率用计算方法很难确定，只能用试验方法确定。传动方式有皮带传动和键连接传动两种。电动泵的效率范围是η＝６０％￣９０％。用于油田注水的柱塞泵效率一般较高，计算传动损失在内的泵效可达８０％甚至８５％以上。大港油田中成机械制造有限公司生产的柱塞式注水泵采用皮带传动，效率均在８５％以上，重庆水泵厂生产的柱塞式注水泵采用键连接传动，效率最高达８９％。

柱塞泵的排量调节方法有２种，一种是通过回流调节，另一种是通过变频调节。

柱塞泵的设备价格，重庆水泵厂生产的３Ｄ９－８３／２２型三柱塞泵，额定排出压力２２ＭＰａ，额定排量８３ｍ３／ｈ，配高压电机功率６３０ｋＷ，设备报价８０万元。大港油田中成机械制造有限公司生产的５ＺＢ－２０／４３型五柱塞泵报价４５万元。根据牛圈湖油田的注

水量及其变化特点，选用排量相对较小的５ＺＢ－２０／４３型五柱塞泵，对注水量变化适应性较强，其所配低压电机便于变频调速。

三、两种泵型的比较柱塞泵与离心泵相比，运行效率至少高１０个百分点，年节电量近１５％。以注入量７０Ｌ／ｓ，注水系统压力２０ＭＰａ为例进行比较，结果见表３。

表３运行离心泵与柱塞泵耗电量对照表项目电功年耗

设备运行

设备总价率电量年耗电量泵数量效率（万元）（kW（万差（万度）型（台）（%）

）度）柱塞泵

９

４７５（含变

频）４８６

８５

１８１６

１５９１

２７２

离心泵

２

７５

２１２７

１８６３

运行柱塞泵，泵效高，单台排量较小，使用比较灵活，可选择１～２台变频运行，变频设备投资不高，节能效果较好，便于控制。但设备数量多，需厂房面积较大，易损件较多，维修工作量较大。

运转离心泵，设备数量少，维修工作量小。但由于单台设备较大，排量调节不是很灵活，电机变频设备投资较大，不经济。

通过上述分析比较，可得出油田注水设备的选择原则：对建设用地限制不严时，应尽量优选柱塞泵，而当对建设用地严格限制时（如海上平台），应优选离心泵。

零偏值；而工件上其它各点的相对该基准点的坐标值固定不变；

因此，我们需要将工件上各坐标系的原点参照同一个中间坐标系作为基准，由于ＮＣ转台中心的坐标值相对于机床坐标系为常数，而工件上各被求坐标系原点均绕转台中心旋转，于是我们可将ＮＣ转台中心为原点的坐标系ＸｏＺ作为一个中介基准坐标系，这样会使计算过程简化许多。

Ｚ＝Ｚ１＋Ｚｎｃ式４将公式１、式３、式４合并后得：

Ｘ＝（Ｘｏ＋Ｘｗ－Ｘｎｃ）ＣＯＳＢｗ－（Ｚｏ＋Ｚｗ－Ｚｎｃ）ＳＩＮＢｗ＋ＸｎｃＹ＝Ｙｗ＋Ｙｏ

Ｚ＝（Ｚｏ＋Ｚｗ－Ｚｎｃ）ＣＯＳＢｗ＋（Ｘｏ＋Ｘｗ－Ｘｎｃ）ＳＩＮＢｗ＋ＺｎｃＢ＝Ｂｗ＋Ｂｏ公式１－１四、实例：FANUC15M系统之NC子程序

％Ｏ８０００

（Ｇ６５Ｉ１．Ｉ２．Ｘ１Ｙ２Ｚ３Ｂ４Ｐ８０００）

（ＦＩＳ．Ｉ－－基准坐标系组号１＝Ｇ５４，２＝Ｇ５５，３＝Ｇ５６，４＝Ｇ５７，５＝Ｇ５８，６＝Ｇ５９）

（ＳＥＣ．Ｉ－－新零点组号１＝Ｇ５４，２＝Ｇ５５，３＝Ｇ５６，４＝Ｇ５７，５＝Ｇ５８，６＝Ｇ５９）

＃［５２２１＋［＃７－１］＊２０］＝［＃［５２２１＋［＃４－１］＊２０］＋＃２４］＊ＣＯＳ［＃２］－［＃［５２２３＋［＃４－１］＊２０］＋＃２６＋７２０．］＊ＳＩＮ［＃２］

＃［５２２２＋［＃７－１］＊２０］＝＃［５２２２＋［＃４－１］＊２０］＋＃２５

＃［５２２３＋［＃７－１］＊２０］＝［＃［５２２１＋［＃４－１］＊２０］＋＃２４］＊ＳＩＮ［＃２］＋［＃［５２２３＋［＃４－１］＊２０］＋＃２６＋７２０．］＊ＣＯＳ［＃２］－７２０．

＃［５２２４＋［＃７－１］＊２０］＝＃［５２２４＋［＃４－１］＊２０］＋＃２Ｍ９９％

主程序中使用方法：

Ｇ６５Ｉ１．Ｉ２．Ｘ２８．７Ｙ０．Ｚ－２３０．Ｂ９０．Ｐ８０００注释：

Ｉ１－－＃４，Ｉ２－－＃７，＃５２２１—Ｇ５４—Ｘ，＃５２２２—Ｇ５４—Ｙ，＃５２２３—Ｇ５４—Ｚ，＃５２２４—Ｇ５４—Ｂ，Ｘ－－＃２４，Ｙ－－＃２５，Ｚ－－＃２６，Ｂ－－＃２五、结束语

数控机床多零点自动计算方法，适用于卧式加工中心上使用，通过软件程序控制，可避免了专用工装夹具的使用，从而大大地降低了专用工装的制造成本和周期，为科研试制加工提供了良好的工艺方法。

参考文献：

[1]陈涛,彭芳瑜,周云飞;基于结构误差补偿的多坐标机床后置变换[J];中国制造业信息化;2003年02期.

[2]周茂书;宏程序在数控编程中的应用[A];中国工程物理研究院科技年报（2000）[C];2000年.

图４

如图４所示，根据各坐标系之间的相互关系及已知的坐标值，我们可以求得在ＸｏＺ坐标系中，某被求点Ｂ的坐标值为：

Ｘ｀１＝ＸＯ＋ＸＷ－ＸＮＣＺ｀１＝ＺＯ＋ＺＷ－ＺＮＣ式２根据ＩＳＯ／８４１数控机床坐标系统标准之数控机床转轴的右手规则规定，Ｂ轴逆时针旋转为正，Ｂ轴顺时针旋转为负，所以Ｂ轴坐标值与θ角方向相同且大小相等。考虑到确定的基准点的零偏值中的Ｂ轴坐标值存在有一个初始值Ｂｏ，因此，当以Ｂｗ（＝θ）作为被求点的角向偏转值时，该被求点在机床坐标系中坐标值为：

Ｂ＝Ｂｗ＋Ｂｏ。同样：Ｙ＝Ｙｗ＋Ｙｏ所以，将式２、Ｂｗ＝θ代入公式１中，得到某被求点Ｂ随ＮＣ转台旋转一个θ角后在ＸｏｎｃＺ坐标系中的新的坐标为：

Ｘ１＝Ｘ｀１ｃｏｓ（Ｂｗ）－Ｚ｀１ｓｉｎ（Ｂｗ）Ｚ１＝Ｚ｀１ｃｏｓ（Ｂｗ）＋Ｘ｀１ｓｉｎ（Ｂｗ）式３利用坐标平移的方法可得到：点Ｂ随ＮＣ转台旋转一个Ｂｗ角后，在机床坐标系（ＸＭｏＺ）中坐标值为：

Ｘ＝Ｘ１＋Ｘｎｃ

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