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摘要：某海上平台海底管道随着水下生产平稳运行，注入至井口的贫乙二醇需求量逐渐减少，对此要根据实际情况对贫乙二醇注入泵流量进行调节。文章从旁路调节、改变泵的转速、改变柱塞的行程与直径、顶开吸入阀调节等四个方面开展研究，并从改造的可行性和经济性方面进行充分的分析。经过比较分析，对贫乙二醇泵流量调节方式改造，选择改小柱塞直径是最为经济可靠的方式。
关键词：乙二醇；柱塞泵；流量调节；变频器；齿轮箱
1概述
1.1系统介绍
某海上平台为了保障海底管道流动安全，采用质量分数为90%的贫乙二醇溶液作为水合物抑制剂。在平台上设置一套乙二醇再生及回收系统、一套贫乙二醇注入系统。贫乙二醇注入系统包括贫乙二醇日用罐、入口过滤器、注入泵、出口过滤器、流量控制阀等。
贫乙二醇注入泵设备整体结构紧凑、布局合理，撬上安装有FMC柱塞泵、主驱动电机、齿轮箱传动装置、入口出口蓄能器、控制柜、接线箱等。
主电机通过齿轮箱传动装置来驱动FMC柱塞泵进行泵送作业。柱塞泵的曲轴将主电机输入的旋转运动转换为柱塞的往复运动，将流量39 m3/h的乙二醇从入口压力加压至出口压力19 000 kPa后，再输送至后续工艺系统，从而实现乙二醇注入的工艺过程。
1.2贫乙二醇注入泵参数
贫乙二醇注入泵选用的是美国FMC TECHNOL-OGIES公司生产的FMC Q2826型号的柱塞泵产品，是按照API 674标准进行设计制造的，完全满足设计工艺系统的安全、稳定、连续运行的要求。具体参数如表1所示。
2贫乙二醇注入泵流量调节改造的原因
平台贫乙二醇泵是基于产水量最大年限设计的，采用高压力大排量需求的关键设备，而在目前工况下，其注入量处于过饱和状态，即使在泵出口回流阀全开状态下，注入量依然处于饱和。为积极践行“双碳”目标，平台针对现有状态运行的贫乙二醇注入泵提出改造，以此满足可调整流量输出的工况需求。
随着水下生产平稳运行，注入至井口的贫乙二醇需求减小。假设在1 000×104 m3/d方产气量条件下，贫乙二醇泵注入至水下的压力15 000 kPa，流量为10 m3。此时，泵的回流旁通管线PV阀门需要全开方能满足条件。但是，经过泵压缩后的液体，经过PV阀回流至贫乙二醇罐，会携带大量的热量，导致贫乙二醇罐过热，不利于贫乙二醇泵入口操作温度要求，故需要对泵进行改造，以减小泵的排量，从而能满足生产工艺要求。
3常见柱塞泵流量调节的方法
柱塞泵是一种常见的正向位移泵，其工作原理是通过柱塞在泵腔内的往复运动，将液体吸入并排出。柱塞泵广泛应用于石油、化工、制药、食品等领域，其流量是决定其性能的重要指标之一。柱塞泵的流量可以通过调节泵的转速、更换不同规格的柱塞和调节进口和出口阀门的开度来实现。在调节柱塞泵的流量时，要根据具体的工况条件来确定合适的参数，以保证泵的性能和寿命。对柱塞式往复泵，常用的流量调节方法有如下4种。
3.1往复泵的旁路调节
往复泵安装时一般设置旁路管，调节旁路阀门的开度大小，使液体排回吸入管，以调节泵排出管内的流量。此方法为控制回路阀的开度来调节打出的流量，如果回路阀门开度大，则回流的液体多，送出的液体少，反之则送出的液体多。此方法比较常用，但是受限于旁路管道的尺寸大小，流量调节有限，而且大量的回流会造成系统的异常振动。
3.2改变泵转速
由往复泵流量计算公式可以看出，柱塞泵的流量与泵的转速有关。泵的转速越高，流量也就越大。因此，要调节柱塞泵的流量，可以通过调节泵的转速来实现。一般来说，可以通过调节电机的转速或者更换不同转速的电机来实现。
3.3改变柱塞行程或直径
柱塞泵的流量与柱塞的直径和行程有关。柱塞的直径越大，流量也就越大；柱塞的行程越长，流量也就越大。因此，要调节柱塞泵的流量，可以通过更换不同直径来实现，或用改变偏心距、柱塞空程、连杆机构的连杆长度和位置来改变柱塞的行程，以改变泵的流量。一般来说，柱塞泵的生产厂家会提供不同规格的柱塞，用户可以根据需要选择合适的柱塞来调节流量。
3.4顶开吸入阀调节流量
柱塞泵的流量还与进口和出口阀门的开度有关。进口阀门的开度越大，流量也就越大；出口阀门的开度越小，流量也就越大。因此，要调节柱塞泵的流量，可以通过调节进口和出口阀门的开度来实现。一般来说，可以通过手动或电动的方式来调节阀门的开度。
4贫乙二醇注入泵流量调节方法研究
4.1顶开或拆掉吸入阀
顶开或拆掉吸入阀，施工简单容易实现，无需额外产生改造成本。但是对长期运行的柱塞泵，顶开或拆掉吸入阀会产生以下不良影响。
第一，拆掉吸入阀门，柱塞泵的液力端腔体的密封会损坏。液力端腔体是高压工作部件，密封损坏会造成高压泄漏，影响柱塞泵的安全运行；第二，曲轴受力不均匀，动力端及减速箱振动剧烈，产生异响，会影响泵动力端部件的使用寿命；第三，拆除单向阀的柱塞腔室，液体不能流动，会造成高温影响。
综合分析来看，顶开或拆掉吸入阀的方法经济性好，但可靠性比较差。
4.2改变柱塞结构与直径
由于该柱塞泵的曲轴连杆机构是固定的偏心距，如果改变偏心距、改变连杆机构的连杆长度和位置来改变柱塞的行程，需要对曲轴箱进行大型改造，改造难度大，需要进行特别定制，粗略估算所需费用为100万元。从维修性和经济性上考虑都不是优选方案。
根据往复泵的流量计算公式可知，改变柱塞直径就可以改变泵的排量。
4.2.1往复泵的流量计算公式
在不计泵内任何容积损失时，泵在单位时间内排出的液体容积称为泵的理论平均流量，简称泵的理论流量。往复泵理论流量计算公式可以用式(1)表示：
Q=ASnZ(1)
式中：Q为泵的理论流量(m3/h)；A为柱塞的截面积(m2)，A=πD2/4(D为柱塞直径)；S为行程长度(m)；n为曲轴转速；Z为柱塞数量。
计算泵在146 r/min下的理论流量，根据流量公式：
Q 146理论=π×0.083×0.083/4×0.178×146×60×5=42.16 m3/h(2)
那么该泵的容积效率大约为：
ηv=Q146实际/Q146理论=39/42.16≈92.5%(3)
4.2.2计算新流量下柱塞直径
在贫乙二醇所需新排量10 m3/h下，根据流量计算公式，计算所需柱塞的直径为：
D=4×Q新理论/（SnZ）/π
=4×10/0.913/（0.178×146×60×5）/3.14≈42 mm(4)
4.2.3经济性分析
柱塞直径由原来的83 mm缩小至42 mm，随之需要改变的是柱塞填料室。经与厂家沟通，改造5个柱塞和填料室所需费用为50万元。改造过程比较简单，只需要对液力端进行小部分改造，电机、齿轮箱和泵曲轴箱部分都不需要做改变。施工难度小、性价比高。
4.2.4节能性分析
根据柱塞泵的驱动功率计算公式可知：
P=Q×P/600×η(5)
式中：P为泵的驱动功率(kW)；Q为泵的流量(m3/h)；p为泵的扬程(m)；η为泵的效率；600为单位转换系数(将流量的单位从m3/h转换为m3/min)。
假设柱塞直径为83 mm时对应的功率和流量分别为P83、Q83。同理，直径为42 mm时对应的功率和流量分别为P42、Q42。
可根据前述文章中的数据计算出柱塞直径缩小后功率降低的百分比，计算公式如下：
P42/P83=Q42/Q83=10/39×100%≈26%(6)
由此可计算出：
P42=P83×0.26=315×0.26=81.9 kW(7)
将泵的柱塞直径从83 mm改至42 mm，泵的出口流量可以调至10 m3/h，功率降低至81.9 kW。
贫乙二醇注入泵柱塞直径改造前，每年的耗电量为315×24×365=2 759 400 kW·h；
贫乙二醇注入泵柱塞直径改造后，每年的耗电量为81.9×24×365=717 444 kW·h；
综上，贫乙二醇注入泵柱塞改造后，每年预计可节约电能2 759 400-717 444=2 041 956 kW·h。
从计算结果可以看出，柱塞直径缩小后所需的轴功率是原来的26%。在降低了平台电网负荷的同时，满足生产工艺处理要求，节能降耗。
4.3改变齿轮箱传动比
该齿轮箱为固定传动比，为改变贫乙二醇泵输入转速，需要对齿轮箱进行换型，更改齿轮箱传动比，使其满足泵的转速要求。
4.3.1原齿轮箱参数
齿轮箱参数如表2所示。
4.3.2新流量下齿轮箱输出转速
现在水下需求贫乙二醇流量为10 m3/h，根据流量公式，计算在该流量下，所需的曲轴转速，如式(8)所示：
n=Q/ASZ
=10/0.913/(π×0.083×0.083/4×0.178×5/60)=37.9 r/min(8)
选取整数值，可选转速为38 r/min作为新齿轮箱的输出转速。
4.3.3改变齿轮箱传动比经济性分析
由于完工资料没有提供齿轮箱选型手册，咨询厂家后，在齿轮箱输出转速为38 r/min下所选取的齿轮箱结构尺寸，与原来齿轮箱结构尺寸变化比较大。如果更换新选的齿轮箱，就需要对驱动电机基座、齿轮箱基座和泵曲轴箱基座进行大面积改造。
4.4将电机定频启动改为变频启动模式
4.4.1电机相关参数
贫乙二醇注入泵电机参数如表3所示。中压开关柜参数如表4所示。
综合保护继电器功能(REF615)：过流保护、接地保护、低电压保护、逆序保护。
综上各个参数功能分析，目前乙二醇注入泵中压柜采用的是真空接触器供电直起，综合保护继电器(REF615)为针对负载保护继电器，泵电机为工频电机。
4.4.2定频电机改为变频电机需求分析
现有贫乙二醇泵电气控制回路采用直接启动方式实现，经过上述现状分析得出，需要改造几项内容：
(1)中压柜VCU改造为VCB，原因是VCB具有更强的灭弧能力、分断能力、保护能力，对变频器入口来说需要可靠性更高的配电方式；
(2)更换综合保护继电器REF615为RET615，需要匹配VCB；
(3)增加中压变频器(变频器额定功率≥400 kW)，以ABB变频器作为参考，选用容量最为接近的变频器型号ACS580MV，单台变频器尺寸为2 170 mm×1 520 mm×2 790 mm，同等容量的国产变频器体积更大；
(4)更换工频泵电机为变频泵电机，现有工频电机绝缘等级不满足变频电机要求，至少需要达到F绝缘等级甚至更高，尤其是在低频运转时，电机会发热；
(5)变频电机能够匹配现有柱塞泵的工况。
4.4.3安全性分析
配电柜是工业现场不可或缺的重要设备之一，在生产过程中承担着电源分配、电流保护、电能计量等重要工作。因此，配电柜在使用过程中要遵循相关的安全要求，以保障生产安全和设备稳定运行。
(1)配电柜改造需要满足“五防”要求；
(2)变频器安装需要满足安全距离；
(3)工频电机改造为变频电机需要满足绝缘等级F级别及以上，独立散热。
4.4.4经济性分析
根据改造内容，中压柜VCU改造、增加变频器、更换工频电机和其他附件，总成本大约需要145万元。具体每项的费用参数表5所示。
变频器是电力电子技术和计算机技术有机的结合体，随着变频技术的发展，交流电动机在调速性能上可与直流电动机相媲美，使变频器的应用范围不断拓展。在设计合理、安装正确的基础上，结合变频器的特点，加强对变频器系统的维护和维修工作非常重要。
做好维护工作能及时发现变频器系统正常运转时存在的隐患，有效地延长变频器、正常的工作时限，维护工作可分为日常维护和定期维护。
变频电机维护特性主要包括：设备故障率低；配件通用性强；全生命周期生产效率高；全生命周期风险低。
综上分析，贫乙二醇工频泵改造为变频泵工作量主要分为四项，总价格在200万元左右(预估)，由于贫乙二醇注入泵为关键生产设备，需采用高质量的变频器及电机来提升高质量的生产效率。每年新增变频电机和变频控制系统保养费30万元左右。
综上所述，改为变频模式需要改动过大，基于现场空间有限、改造工作时间过长和改造后每年所需要的维护工作及维护费用综合考虑，不建议使用该方案。
5结语
柱塞泵流量调节方式比较多，需要结合现场施工难度、改造进行性、后期维护保养费用等综合来考虑。比如不能用减小出口阀门开度的方法来调节流量，这样会浪费能源，甚至造成往复柱塞泵驱动电机超负荷。
经过以上四种方案的综合对比，将柱塞直径减小至42 mm，泵的出口流量相应可降低至10 m3/h左右，既满足后期贫乙二醇注入量的要求，又可以减少贫乙二醇通过旁路回流至贫乙二醇日用罐的量，既安全又性价比最高。
参考文献：
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[4]孙永杰，陈君.应用变频调节技术实现离心泵的节能降耗[J].炼油与化工，2013，24(2)：40-42，63.
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[6]李庆义，李福超，姚辉勇，等.基循环水泵变频节能改造的研究及应用[J].电工技术，2022(20)：27-29.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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海上平台贫乙二醇注入泵流量调节方法研究论文
人参与 2024-08-01 10:53:50 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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