自动化仪器、仪表及数字化油田建设在油田生产、节能中的应用

2019-02-13齐照庆大庆油田自动化仪表有限公司

石油石化节能 2019年2期

齐照庆（大庆油田自动化仪表有限公司）

随着无线通讯技术、传感器技术等先进科技的发展，自动化仪器、仪表在油田生产建设中起到的作用更加无法替代，因其具备较高的效率性、智能性、准确性等特点，取代传统的人工仪表已成为必然的趋势。自动化仪器、仪表在无线通讯等技术的支持下，已形成的自动化控制系统，从感知层的各类传感器到通讯层再到上位机数据处理层，已向着智能化、智慧化、大数据的时代发展，从而大大提高生产效率，降低人工成本和生产风险，并广泛用于油田生产中；但是，在应用过程中因多种因素影响造成大量的能源损耗。例如：在流体输送时，由于流体特性及管道的影响，自动化设备会产生较大的阻力，导致电能损耗加大。据调查，因流体阻力损耗的电能约占总耗电的20%。由此可见，如果能在油田的生产中采取行之有效的节能措施，对降低自动化仪表的能源损耗具有极其重要的现实意义。

1 自动化仪器、仪表与节能的关系

作为油田生产系统中不可或缺的一部分，仪器、仪表在油田各环节中十分重要，充分体现了其显示、检测准确、控制各类参数、安全连锁保护、数据分析等作用。在仪表的实际使用过程中，如果设备能一直处于稳定可靠的状态，就可以更科学、高效地掌控生产的全过程，并且随着信息化的发展，无线传输技术、大数据集成处理、各类预警功能的应用，在油田生产的紧急情况下可以对事件进行提前判断并有效控制；因此，众多油田单位都将自动化仪表作为了解并控制油田生产的一个重要手段。

通过对油田自动化仪表节能进行分析，其本质是指在满足相关要求的基础上通过计算、控制管理等多种手段，综合考虑经济条件、生产技术及环境等多方面因素，进而提高油田产业的经济效益及能源利用率。事实上，就实现油田自动化仪表节能而言，其本质上涵盖了包括顶层设计、方案分析、产品选型、安装调试、系统维护，以及后续方案的改进与优化在内几个方面的内容，而这几个方面在一定程度上也是互相依托、相辅相成、缺一不可。但是，如何衡量油田自动化仪表节能是否达到了节能的效果，所参考的标准依据或参数是什么，这就不得不提到一个概念-节能量。而所谓的节能量就是在一定时期内节约的能源数量，即完成同一个任务量时所节省下来的能源消耗。主要包括单耗降低、效率提高合理节能等节能计算方法，这些方法也为油田自动化仪表节能措施的制定与实施提供了科学的参考依据。

2 油田自动化仪表节能措施

针对目前油田在用仪表的实际使用情况，自动化仪表存在着很大的节能潜力，为将仪表的节能效果发挥出来，特采取以下措施，以达到与国家节能环保相符合的标准要求。

2.1 对自动化仪表的传输阻力进行有效控制

在油田各项生产和现场操作过程中，由于自动化仪表与地面流体发生直接接触，所以不可避免会产生相应的阻力，随着阻力的增大，消耗的能量也会增大。流体在线路传输过程中，介质与流量仪表及阀组之间产生的阻碍所占的比重相对较高，因此，实现节能的关键方法是降低仪表对介质传输的阻碍[1]。

1）在各种流量测量装置中增大节流装置的直径比。在油田的实际生产运行中，广泛应用节流装置，其使用范围约为三分之二。就流体性质而言，其本身具有一定黏性，因此，当液体传输经过节流器件时，节能件形成漩涡以及克服摩擦消耗了较多的能量；同时，液体的静压力在传输过程中，通过节流装置后也会存在相应的压力损失，且不能完全恢复。这就可以说明，压力损失、直径比两者之间是反比关系，即要减少压力损失，就需要使相应的直径比增大，才能实现节能的目标。

2）通过对调节阀进行控制达到节能的目的。首先引入一个调节阀的阀阻比概念，具体涵义是指在阀体全开的状态下，压力降低与管路总体压力降低的比值，若用S表示，其数值越大，则损失在阀上的能量就越多[2]。按照实际使用情况测算S值，而阀组比的取值范围通常在0.3～0.5之间；在介质为气体时，阀组比相对较高，会高于0.5。在油田生产中利用调节阀控制流量，通过减低调节阀的阀阻比，可大大降低应用过程中机泵运转产生的电能消耗，从而达到节能降耗的目的。

2.2 充分利用交流变频技术

在石油工业的生产指挥自动化系统中，为满足控制离心泵出口流量的需求，所使用的调节器需要根据工况设定最佳PID值进行调节控制，进而对调节阀的开度流量起到相应的控制效果[3]。但需要注意的是，这种在规律下进行调节控制的调节方案是存在一定缺陷的。主要表现如下：节能性较差，这种以变阻力元件为主要元配件进行工作调节的调节器，其本身存在一定能量损耗；经济性较小，因为离心泵的出口侧面设有截止阀，用以配合调节阀的正常运行，这就限制了泵的选择，要求所选用的离心泵必须要具备较大的额定功率，以满足负荷不断变化的动力需求，同时也不利于实现经济的调节方案。

在电子科技的推动下，所研发的变频节能调速器广泛用于各个工业生产领域。这是因为变频调速器具有很好的节能效果，且更加经济方便，极大地提高设备的运行效率。而用于工业化工生产系统中的调速器，同样可以充分利用高性能的变频技术来完善其调节方案，即利用变频调速器来控制泵的出口流量。使用交流变频调速器呈现下述优越性：安装方式具有非接触、无阻力的特点；由于对泵转速直接进行控制，进而更容易有效控制流量；采用大范围无级调速，调节效果会更好，省去调节阀等一系列环节。按照原则选用机泵以及调节阀上的压降，通过变频控制器共同组成调节系统，提高整体效率，这种方式预计能够减少电能消耗约百分之三十；而对于那些原有机泵选择过盈量太多，或者机泵在生产时低负荷运行的，节能效果相对而言更佳显著。

2.3 选择无压损或低压损的自动化仪表

在测试流体流量时，节能装置在其实际测试过程中存在的压损较大，而节能装置的使用率很高，约为70%，这样不利于节能。因此，在工业领域无压损和低压损仪表得到较大关注，尤其是近几年广泛应用的旋进旋涡流量计和笛形均速管流量计。其具有造价低廉、压损微小和安装方便的特点，受到各油田一线操作人员的好评[4]。仪表选择是油田设计的一个重要环节，在考虑仪表性能的同时要兼顾节能，而通过研发和革新制造出更加环保、节能的仪表也成为仪表行业的一个新的发展方向。

2.4 对自动化仪表的运行方案进行优化

为使调节阀的压损降低，可以考虑将调节阀安装在换热器之后，因大部分压降是在流量调节阀上产生的，其操作过程是物料先经预热器的预热，再通过闪蒸罐进行闪蒸，将调节阀布置在闪蒸罐的入口处，这样可以有效地控制换热器物料的气化。

如果将调节阀安装在换热器之前，在操作过程中调节阀自身会存在压损，同时会降低物料在进入换热器时产生的压力，而在换热器内进行加热所用的蒸汽量也会随之降低；因此，对装置的合理布局，在一定程度和情况下可以起到明显的节能效果。

2.5 数字化油田建设

抽油机是油田生产中的重要地面机械，其种类繁多。而抽油机设计的运行参数不能完全与井口的实际情况进行匹配，在不同油井不同负荷的情况下，如何使抽油机的工作状态保持最佳水平，最大限度提高其工作能力，做到低碳开发，保证节能开采，这是问题的关键所在。

数字化抽油机是集数据采集、传输和远程控制多种功能于一体的多功能抽油机，配有多种数字化设备，主要包括数字化抽油机智能控制柜、三项电参采集器、电动机变频控制、一体化载荷悬绳器、传感器、平衡调节装置等。这些设备共同承担着对油井参数进行采集、传输、分析，对抽油机进行远程启停控制，对抽油机的运行状态进行报警；并根据井口参数，对最佳的冲速进行判断、调节，利用动平衡达到节约能源的目的[5]。通过无线传输，将后台分析的结果转化成信号，传递给变频器；通过调整将电动机的输入频率调整到最佳状态，使抽油机平衡效果更好，驱动电动机使用寿命更长、功率更小，提高生产效率的同时节约人工、电能等成本，减少设备损耗和维修费用[6]。

通过实际测算，数字化抽油机与同一型号的常规抽油机相比，电动机功率因数和地面效率更高，平衡度更好，无功功率更低，这都表明了数字化抽油机在节能方面的作用。