油田机采系统专项能源审计方法研究与应用

2019-06-03马振川大庆石油管理局技术监督中心

石油石化节能 2019年5期

马振川（大庆石油管理局技术监督中心）

能源审计是审计内容的一种，是对煤、水、电、气、油等能源及其设施的事先设计及事后管理与节约所进行的审计项目[1]。开展能源审计可以使用能单位及时分析掌握本单位能源管理水平及用能状况，排查问题和薄弱环节，挖掘节能潜力，寻找节能方向。从而实现“节能、降耗、增效”的目的。

机采系统耗电占油气开采过程中总耗电量的三分之一左右[2]，甚至高达三分之二。机采系统主要耗电设备为抽油机，螺杆泵、潜油电泵以及电加热设备（工频电加热、中频电加热、低频电加热和可控硅电加热等），其中耗电量最大为加热设备，特别是稠油开采时，其耗电量比抽油机多，不同的地质导致不同的开采工艺，各油田机采系统耗电量占比也不一样，所以开展机采系统专项能源审计，有利于摸清机采系统重点耗能环节，分析耗能节点，结合目前先进的节能技术，进行节能改造或者运行参数优化，降低生产成本，提高企业经济效益。

1 机采系统专项能源审计方法

专项能源审计是针对一方面做全面的审计[3]，这种审计更细致，更容易发现问题并进行改正。机采系统专项能源审计主要是针对原油气在开采过程中所消耗的能源进行审计，主要包括能源的计量与管理、能源统计、能源利用分析、节能潜力分析等，其审计过程如图1。

图1 机采系统专项能源审计示意图

1.1 审计边界确定

审计边界主要包括时间边界和审计范围，时间一般以一个自然年，或者财务结算周期为准，也可以与被审计单位协商确定，审计时间必须包括一个完整的生产周期。

审计范围主要是指机采系统运行的范围，即把原油气从井底开采到井口的过程中，有消耗能源的过程均被确定为审计范围，见图2。

图2 机采系统能源审计范围示意图

1.2 电能计量和统计

1）计量器具分析。根据GB 17167—2006《用能单位能源计量器具配备和管理通则》中的规定，机采系统数量较大，分布范围较广，无法以单位作为一个计量单元，而以单台机采井，或者以平台作为基本计量单元，或者以井用变压器作为计量单元，统计计量器具是否完善，只有完善的计量器具配备才能最准确的获取耗能数据，计量器具配置示意图见图3。

2）电力能耗数据的获取。当现场能耗数据统计完善时，可采用统计数据作为耗能数据；当统计不完时，可通过采用对耗能设备的能耗量进行监测，进而获得电力能耗数据；当无法完全对耗能设备进行监测时，可采用抽样的方式，获得耗能设备的耗电量，通过采取计算样本的耗能设备的电动机负载率，率计算总体的耗电量，具体计算示意图见图4。

3）抽样方法研究。宜采用分层抽样的方法[4]。即将整个耗电系统当作总体，各用电单位为互不重叠的子总体，然后在子总体中按照给定的样本量独立地进行随机抽样，根据不同采油厂、作业区、小队、抽油井型号进行抽样。

1.3 机采系统耗能数据分析

主要分析机采系统运行能耗水平，分析相关运行指标，例如系统效率、功率因数、抽油机平衡度等。分析相关考核指标的是否合理，考核指标落实情况等，以用于评价机采系统能耗的管理水平。

图3 机采系统计量器具配备范围示意图

1.4 机采系统节能潜力分析

根据机采系统能耗运行情况、现场检查监测，分析监测数据，梳理能耗节点，寻找影响机采系统的能耗因素，挖掘节能潜力。

图4 总体与样本关系

1.4.1 节能电动机及配套技术

机采井的拖动设备为电动机，是消耗电力的主要设备，电动机是否节能，运行是否好坏直接影响机采井的能耗情况，目前主要为三相异步电动机，主要分为以下几种：

1）变频调速电动机[5]。是在普通电动机电源上加变频器，可以降低抽油机电动机的装机容量，负荷率得到较大提高，并且改变了上、下冲程的速比，也改善了抽油系统的配合。采用变频调速控制，可根据油井的实际供液能力，动态调整抽汲速度，既节约电能，又增加原油产量。变频调速电动机无论从电动机本身还是从系统配合上都达到了节能目的。但这种方法一次投入大，现场管理难度大，而且变频器本身也有功率损耗（约3%），变频器的谐波对电网有影响，并会使电动机附加损耗增大。

2）超高转差电动机，高转差电动机是采用高电阻率的转子导体，其转差率比普通三相异步电动机大，高转差率电动机的转差率在8%～12%。提高转差率的目的是为了使电动机具有堵转转矩大、堵转电流小、机械特性软等特点，在额定输出功率时，最大转矩能够等于堵转转矩。

3）电磁滑差电动机[6]，在普通电动机轴与负载轴之间增加一个电磁离合器，其传递扭矩值随电磁离合器的励磁电流的大小而变化，励磁电流是根据电动机电流进行反馈控制的。在冲击载荷时，离合器滑差增大，而电动机本身不会发热，可空载启动。这种电动机可使系统达到较好的配合，降低了抽油杆和抽油泵的故障率，延长了检泵周期，但系统节能量较小。另外，电磁离合器和励磁控制系统的成本也比较高。

4）高效永磁同步电动机，永磁同步电动机无需励磁电流，可以显著提高功率因数，减少定子电流和定子电阻损耗，与同规格的感应式电动机相比，效率可提高2%～8%。而且永磁电动机在25%～120%额定负载范围内，均可保持较高的效率和功率因数。

5）双速电动机，根据油井的工况变化，这种电动机可在两个不同的转速下运转，比较容易地实现抽油机井冲次的调整。使用这种双速电动机，不论在哪种级数下，抽油机不论停在什么位置，都能成功启动。当抽油机的负荷率在20%～80%变化时，电动机都运行在高效区。

6）双功率电动机，双功率电动机是在Y系列电动机的基础上改造而成的，也分为定子和转子两部分。其定子和转子的构造与Y系列电动机一样，在电动机的电磁设计和结构设计中，仅将原Y系列电动机的一套绕组重新设计成两套绕组，而其他部分与原设计相同。以Y系列的37 kW电动机为例，大的绕组为启动绕组，启动时的功率(额定功率)为37 kW；小的绕组为工作绕组，运行功率为18.5 kW，或者小绕组的功率根据油井的实际功率来设计。电动机启动时需要的功率大，用启动绕组；启动后正常运行时负载需要的电动机的功率较小，工作绕组开始工作，使电动机在运行功率下运行；如果抽汲工况发生变化，负荷较大时，两个绕组同时运行。采用这种方法能使电动机负载在较大范围变化时有相应的功率与之匹配，使负载率有较大的提高，从而提高电动机的效率和功率因数。当两个绕组单独运行时，转子仍是总功率运行时的转子，转动惯量较大，运行时系统动能大，提高了电动机的过载能力，有利于换向时克服峰值负载。

1.4.2 抽油机节能变频器

变频器是把工频电源（50 Hz或60 Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电动机的变速运行的设备。变频器具有软起、停功能，减少了对抽油机杆的机械冲击，保护了电动机及机械设备，减少维修量，变频器对过压、欠压、过载、短路及电路失速都能可靠地保护。总之，变频控制技术在抽油机上应用。对抽油生产设备来说是一个很大进步。它从根本上改变了抽油机的运动特性和动力特性。使抽油机-抽油杆-抽油泵达到动态协调，使有杆抽油系统和油井供液系统达到动态协调。现场使用节能变频器后，节能率为15%左右。

1.4.3 其他节能技术

1）抽油机井工况在线控制，主要分为基于泵功图诊断的智能调参技术、基于动液面在线监测的智能调参及间开技术、游梁式抽油机自动调平衡技术、丛式井组集中控制等。

2）抽油机井机杆泵合理匹配，主要分为抽油机与电动机的合理匹配、机杆泵的合理匹配等。

2 现场审计

根据审计方法对某油田进行机采井专项能演审计，该油田电力消耗量为141.95×108kWh，其中机采井消耗量为47.63×108kWh，占总消耗电量的33.56%，具体能源消耗结构见表1。

表1 某油田机采系统电力消耗

根据表1可知，某油田，机采系统耗电在总体耗电量的33.56%，采油一厂机采系统耗电占总耗电量的51%。

2.1 淘汰设备分析

某油田的机采系统主要耗能设备以及淘汰情况，见表2。

表2 某油田机采系统耗能设备统计

某油田机采系统在用电动机49 072台，平均功率为32.97 kW，应淘汰4 074台，占比为7.02%。对更换淘汰设备进行经济评价如下：如果更换淘汰4 074台电动机，需要投资7 253.04万元，电价按0.638 1元/kWh计算，设备单价按市场价计算，年节约电量635.37×104kWh，节约资金405.43万元，平均投资回收期17.89年，见表3。