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[摘 要]分析了输油动力系统效率的影响因素，介绍了泵及管路性能特点，阐述了泵流量降低时扬程升高效率下降，而管路的流动阻力下降使得管路利用率降低的机理，采用多种方法提高输油动力系统效率。应用表明，调整站内工艺安装及罐前液面调节阀口径，充分地利用泵的扬程，改变工作转速，使用变频器调节，来提高泵效，泵管压差小，泵效高，效果显著。
[关键词]油田 中转站 提高泵效率 测试分析
中图分类号：E73 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）10-0055-01
某油田特高含水期液体输送量将随着采出液量、含气、含水量及粘度的变化而变化，输油泵效率和管路效率已不在最佳工作区，站内管路局部阻力大，中转站输油站效率较低。目前，某油田处于挖潜调整阶段，对于减少中转站的站内回流、结垢、阀件的阻力损失等形成的无效能耗。为此，提高中转站输油系统效率，节约能源减少能耗，是人们关注解决的问題，是中转站油气集输中重要的节能环节。
1 影响因素
输油动力系统效率是指在整个集输过程中输油泵 、外输管路所发挥的有效能与输入能之比。输油动力系统效率包括电机效率、输油泵效率和管路输送效率，若每项效率均达到理想状态，其系统效率应在50-60%范围内。电机效率包括与负载无关的恒定损耗和直接负载损耗，损耗大效率低。输油泵效率为泵传递给液体的有效功率与轴功率之比。
1.1 泵内损失
泵内损失主要包括机械损失、容积损失和水力损失，与之相应的效率分为机械效率（ηm）、容积效率（ηv）和水力效率（ηb）。泵的效率为η=ηm×ηv×ηb，即机械摩擦、级间泄露、水力摩擦等都能使泵的效率下降。
1.2 工况影响
关于离心泵运转工况的移动，变运转泵的工作点称为工况调节。由于工作点是泵性能曲线和管线特性曲线的交点，所以任何一条曲线发生变化，工作点便随之改变。因此，改变工作点是改变泵性能曲线和管线特性的途径。
1.3 管线特性
管线节流调节使管线特性变化的最简单，最常用的方法，即在利用排出管路上的控制阀，当开大或关小控制阀的开启度时，改变了管路中局部阻力，管线特性系数k变化，使管路特性曲线的斜率变化，在泵性能曲线不变的情况下，工作点发生变化，起到了调节流量的作用。管线特性：管内流量Q与流动损失hw的函数关系为一条抛物线。
当泵排出管路上阀门全开时，管路特性曲线为1，与泵H-Q性能曲线交点为M1，对应流量Q1，随着阀门逐渐关小，管路特性系数逐渐变大，管路特性曲线2、3相应地变陡，工作点变为M2、M3，流量逐渐减少为Q2、Q3。见泵出口节流调节图。利用关小阀门，使流量Q减小为Q2、Q3时泵的效率往往会降低，对低、中比转数的离心泵，其功率性能曲线都是随着流量减少而下降的。从泵的能头有效利用率来看，调节阀的开度变小却增加附加阻力损失。设控制阀全开时，流量为Q1，管路特性系数为k，则管路中流动损失为h=kQ12，节流后，流量变为Q2，总流动损失为h=k2Q2，其中用于输送液体需要克服的流动损失仅为kQ22，其余能头（k2-k）Q22，则是节流调节损失。所以，用关小排出管控制阀的方法改变管路特性来调节流量，管路局部阻力增加，需要泵提供更多的能头来克服这个附加的阻力损失，使整个管路装置效率不高，这种方法长期使用是不经济的。但是，这种方法简单方便，广泛用于生产的工况调节中。即泵后排出管控制阀前后压差称泵管压差，泵管压差大，管线效率低。1.4旁路调节
在泵出口设有旁路与吸入罐相连通并设有控制阀。旁路调节相当于分支管路，旁路打开，泵的流量变大，但是主管中的流量比关闭旁路时的流量要小，所以，流量得到了调节。这种调节也不经济，这种方法只能用于调节站内容器液面，因为旁路中的流量对于输油系统是无效循环，浪费功耗。
1.5 输送介质黏度对泵效的影响
泵的扬程和流量随黏度增加而下降，而功率则随黏度增加而升高，因此效率下降。
1.6 汽蚀、腐蚀、结垢等对泵的影响
泵输送介质的液态和气态是能够相互转化的。其转化条件是温度和压力。泵内产生气泡，使流速降低，流量下降，可产生水击，使金属表面剥蚀，使泵内局部流道变形，则泵的扬程、流量、效率下降。
2 提高输油动力系统效率的方法
2.1 切割叶轮外径
根据相似原理，当转速一定时，流量和扬程随叶轮外径切割大小，近似地成一、二次方变化，使流量和扬程减小。
2.2 改变工作转速
离心泵的流量和扬程都与转速有关，根据比例定律，流量、扬程和轴功率相应地与转速近似地成一、二次、三次方变化，即可以得到不同的工作点，使流量和扬程变化。通过能效测试可知，有些中转站采用变频调速装置，输油动力系统效率高，站内节流阻力小，以泵的性能动态变化与管路特性平衡，泵在最佳工作点工作。
功率P与转速N的立方成正比。如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。如一台水泵电机功率为55kW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16kW，节电48.8%，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875kW，节电87.5%。当电动机转速降低时，电动机输出功率将大幅度下降。转速仅下降10%时，功率消耗下降了27.1%，也就是说，节省了27.1%的电费支出。变频调速设备对风机、泵类负载电动机节电效果非常理想，一般节电率可达20～60%。当Q1/Q2=0.7时，P/P0=（n1/n2）3= （Q1/Q2）3=0.73=0.34，由公式可得当流量变为额定流量的70%时，水泵的实际轴功率仅为额定功率的34%，水泵节电67%左右。可以看出，通过变频调节方式来改变水泵转速可以为水泵运行节省大量的电能。 2.3 變频器
（1）工作原理。通过改变电机定子供电频率，来提高或降低电机的转速，以实现电机的调速，从而改变泵的排量，使所需控制参数保持平稳。交流异步电动机的转速公式为：
n=60f/p
式中：n为电机转速（r/min）；f为定子供电频率（Hz）；p为定子绕组极对数。
（2）应用效果。测试表明，中转站站效率高，则泵效高，同时泵管压差小。X#站2#外输泵超负荷运行，泵效不高，泵管压差小，管线利用率高；Y#站1#、F#站-2#外输泵低负荷运行，泵效低，泵管压差大，泵利用率低；在X#站2#外输泵再安装变频器，可使泵流量在合理工作区内运行，可提高泵效。见表1。试验表明，对于装变频器调节，平均泵管压差在0. 4Mpa左右，可使泵流量在合理工作区内运行，泵效相对较高（60.55%），站效较好（30.6%）。对于没装变频器调节，平均泵管压差在0. 8Mpa左右，泵效45.87%，站率较低，为18.26%。流量控制在0.9-1.2倍的额定流量，即Q=0.9-1.2Qe，但泵管压差较高，在0.91 Mpa以上，泵效相对较高，但站率不理想。
在出口压力与进口压力差（P2-P1）和外输回压与进口压力差（Ph- P1）保持一定范围时，泵效和站效主要取决于流量和有功功率。通过调节转速，使流量合理增加，可使泵效和站效保持较高水平。
计算实例：X#站2#外输泵安装变频器：P2-P1=1.10-0.07=1.03 Mpa，Ph- P1=0.3-0.07=0.23Mpa，ηb=97.99kW，Q=215 m3/h，按公式（1）和（2）计算：泵效和站的站效率分别为68.23%和14.02%。
2.4 调整站内工艺安装
站内管路局部阻力大，是中转站输油站效率低的主要因素之一，调整罐前液面调节阀口径，避免过多地利用泵后控制阀约束泵的流量，充分地利用泵的扬程。
2.5 其它措施
输油泵采用机械密封装置，泵内涂膜使流道光滑等，都可以提高泵效率。
3 结束语
分析了泵的性能曲线与管路特性的相互匹配关系。变频调速可减少站内局部阻力，但投资高，这种方法长期使用是经济的，全面推广输油泵采用机械密封装置和泵内涂膜技术，是减少能耗和延长泵的使用寿命的有效方法，中转站输油泵加变频器，是投资少，见效快的节能方式，在大庆油田有着广泛的应用前景。
参考文献
[1] 刘德绪.油田污水处理工程[M].北京：石油工业出版社，2001.
[关键词]油田 中转站 提高泵效率 测试分析
中图分类号：E73 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）10-0055-01
某油田特高含水期液体输送量将随着采出液量、含气、含水量及粘度的变化而变化，输油泵效率和管路效率已不在最佳工作区，站内管路局部阻力大，中转站输油站效率较低。目前，某油田处于挖潜调整阶段，对于减少中转站的站内回流、结垢、阀件的阻力损失等形成的无效能耗。为此，提高中转站输油系统效率，节约能源减少能耗，是人们关注解决的问題，是中转站油气集输中重要的节能环节。
1 影响因素
输油动力系统效率是指在整个集输过程中输油泵 、外输管路所发挥的有效能与输入能之比。输油动力系统效率包括电机效率、输油泵效率和管路输送效率，若每项效率均达到理想状态，其系统效率应在50-60%范围内。电机效率包括与负载无关的恒定损耗和直接负载损耗，损耗大效率低。输油泵效率为泵传递给液体的有效功率与轴功率之比。
1.1 泵内损失
泵内损失主要包括机械损失、容积损失和水力损失，与之相应的效率分为机械效率（ηm）、容积效率（ηv）和水力效率（ηb）。泵的效率为η=ηm×ηv×ηb，即机械摩擦、级间泄露、水力摩擦等都能使泵的效率下降。
1.2 工况影响
关于离心泵运转工况的移动，变运转泵的工作点称为工况调节。由于工作点是泵性能曲线和管线特性曲线的交点，所以任何一条曲线发生变化，工作点便随之改变。因此，改变工作点是改变泵性能曲线和管线特性的途径。
1.3 管线特性
管线节流调节使管线特性变化的最简单，最常用的方法，即在利用排出管路上的控制阀，当开大或关小控制阀的开启度时，改变了管路中局部阻力，管线特性系数k变化，使管路特性曲线的斜率变化，在泵性能曲线不变的情况下，工作点发生变化，起到了调节流量的作用。管线特性：管内流量Q与流动损失hw的函数关系为一条抛物线。
当泵排出管路上阀门全开时，管路特性曲线为1，与泵H-Q性能曲线交点为M1，对应流量Q1，随着阀门逐渐关小，管路特性系数逐渐变大，管路特性曲线2、3相应地变陡，工作点变为M2、M3，流量逐渐减少为Q2、Q3。见泵出口节流调节图。利用关小阀门，使流量Q减小为Q2、Q3时泵的效率往往会降低，对低、中比转数的离心泵，其功率性能曲线都是随着流量减少而下降的。从泵的能头有效利用率来看，调节阀的开度变小却增加附加阻力损失。设控制阀全开时，流量为Q1，管路特性系数为k，则管路中流动损失为h=kQ12，节流后，流量变为Q2，总流动损失为h=k2Q2，其中用于输送液体需要克服的流动损失仅为kQ22，其余能头（k2-k）Q22，则是节流调节损失。所以，用关小排出管控制阀的方法改变管路特性来调节流量，管路局部阻力增加，需要泵提供更多的能头来克服这个附加的阻力损失，使整个管路装置效率不高，这种方法长期使用是不经济的。但是，这种方法简单方便，广泛用于生产的工况调节中。即泵后排出管控制阀前后压差称泵管压差，泵管压差大，管线效率低。1.4旁路调节
在泵出口设有旁路与吸入罐相连通并设有控制阀。旁路调节相当于分支管路，旁路打开，泵的流量变大，但是主管中的流量比关闭旁路时的流量要小，所以，流量得到了调节。这种调节也不经济，这种方法只能用于调节站内容器液面，因为旁路中的流量对于输油系统是无效循环，浪费功耗。
1.5 输送介质黏度对泵效的影响
泵的扬程和流量随黏度增加而下降，而功率则随黏度增加而升高，因此效率下降。
1.6 汽蚀、腐蚀、结垢等对泵的影响
泵输送介质的液态和气态是能够相互转化的。其转化条件是温度和压力。泵内产生气泡，使流速降低，流量下降，可产生水击，使金属表面剥蚀，使泵内局部流道变形，则泵的扬程、流量、效率下降。
2 提高输油动力系统效率的方法
2.1 切割叶轮外径
根据相似原理，当转速一定时，流量和扬程随叶轮外径切割大小，近似地成一、二次方变化，使流量和扬程减小。
2.2 改变工作转速
离心泵的流量和扬程都与转速有关，根据比例定律，流量、扬程和轴功率相应地与转速近似地成一、二次、三次方变化，即可以得到不同的工作点，使流量和扬程变化。通过能效测试可知，有些中转站采用变频调速装置，输油动力系统效率高，站内节流阻力小，以泵的性能动态变化与管路特性平衡，泵在最佳工作点工作。
功率P与转速N的立方成正比。如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。如一台水泵电机功率为55kW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16kW，节电48.8%，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875kW，节电87.5%。当电动机转速降低时，电动机输出功率将大幅度下降。转速仅下降10%时，功率消耗下降了27.1%，也就是说，节省了27.1%的电费支出。变频调速设备对风机、泵类负载电动机节电效果非常理想，一般节电率可达20～60%。当Q1/Q2=0.7时，P/P0=（n1/n2）3= （Q1/Q2）3=0.73=0.34，由公式可得当流量变为额定流量的70%时，水泵的实际轴功率仅为额定功率的34%，水泵节电67%左右。可以看出，通过变频调节方式来改变水泵转速可以为水泵运行节省大量的电能。 2.3 變频器
（1）工作原理。通过改变电机定子供电频率，来提高或降低电机的转速，以实现电机的调速，从而改变泵的排量，使所需控制参数保持平稳。交流异步电动机的转速公式为：
n=60f/p
式中：n为电机转速（r/min）；f为定子供电频率（Hz）；p为定子绕组极对数。
（2）应用效果。测试表明，中转站站效率高，则泵效高，同时泵管压差小。X#站2#外输泵超负荷运行，泵效不高，泵管压差小，管线利用率高；Y#站1#、F#站-2#外输泵低负荷运行，泵效低，泵管压差大，泵利用率低；在X#站2#外输泵再安装变频器，可使泵流量在合理工作区内运行，可提高泵效。见表1。试验表明，对于装变频器调节，平均泵管压差在0. 4Mpa左右，可使泵流量在合理工作区内运行，泵效相对较高（60.55%），站效较好（30.6%）。对于没装变频器调节，平均泵管压差在0. 8Mpa左右，泵效45.87%，站率较低，为18.26%。流量控制在0.9-1.2倍的额定流量，即Q=0.9-1.2Qe，但泵管压差较高，在0.91 Mpa以上，泵效相对较高，但站率不理想。
在出口压力与进口压力差（P2-P1）和外输回压与进口压力差（Ph- P1）保持一定范围时，泵效和站效主要取决于流量和有功功率。通过调节转速，使流量合理增加，可使泵效和站效保持较高水平。
计算实例：X#站2#外输泵安装变频器：P2-P1=1.10-0.07=1.03 Mpa，Ph- P1=0.3-0.07=0.23Mpa，ηb=97.99kW，Q=215 m3/h，按公式（1）和（2）计算：泵效和站的站效率分别为68.23%和14.02%。
2.4 调整站内工艺安装
站内管路局部阻力大，是中转站输油站效率低的主要因素之一，调整罐前液面调节阀口径，避免过多地利用泵后控制阀约束泵的流量，充分地利用泵的扬程。
2.5 其它措施
输油泵采用机械密封装置，泵内涂膜使流道光滑等，都可以提高泵效率。
3 结束语
分析了泵的性能曲线与管路特性的相互匹配关系。变频调速可减少站内局部阻力，但投资高，这种方法长期使用是经济的，全面推广输油泵采用机械密封装置和泵内涂膜技术，是减少能耗和延长泵的使用寿命的有效方法，中转站输油泵加变频器，是投资少，见效快的节能方式，在大庆油田有着广泛的应用前景。
参考文献
[1] 刘德绪.油田污水处理工程[M].北京：石油工业出版社，2001.