孤東油田北一西線油井地面系統(tǒng)耗能節(jié)點(diǎn)分析及對策

朱益飛（勝利油田孤東采油廠）

孤東油田北一西線油井地面系統(tǒng)耗能節(jié)點(diǎn)分析及對策

朱益飛（勝利油田孤東采油廠）

提高機(jī)采系統(tǒng)效率，提高機(jī)采系統(tǒng)的用能水平，降低機(jī)采系統(tǒng)能耗，是一項長期而艱巨的任務(wù)。以孤東油田北一西線及其油井為例，運(yùn)用系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分析方法，對地面系統(tǒng)耗能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐一分析，介紹北一西線油井節(jié)點(diǎn)測試分析設(shè)置和測試分析，探索研究各節(jié)點(diǎn)的能源損失現(xiàn)狀，提出節(jié)能技術(shù)改造對策措施，分析了節(jié)能改造實施后的經(jīng)濟(jì)效益和效果。

孤東油田 機(jī)采系統(tǒng) 節(jié)點(diǎn)分析 技術(shù)改造

D O I:10.3969/j.i ssn.2095-1493.2011.05.013

目前，節(jié)能降耗已成為全社會的一項重要工作，油田企業(yè)既是產(chǎn)能大戶，也是耗能大戶。開展節(jié)能降耗是油田企業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的一項重要工作[1]。據(jù)統(tǒng)計，油田機(jī)采系統(tǒng)是油田生產(chǎn)的用能大戶，其總能耗量約占油田開發(fā)總能耗的40%，而我國油田平均機(jī)采系統(tǒng)效率在30%左右，油田機(jī)采系統(tǒng)仍存在著巨大的節(jié)能潛力。提高機(jī)采系統(tǒng)效率，提高機(jī)采系統(tǒng)的用能水平，降低機(jī)采系統(tǒng)能耗，是一項長期而艱巨的任務(wù)[2]。為此，我們提出了開展機(jī)采系統(tǒng)油井地面系統(tǒng)能耗節(jié)點(diǎn)分析及對策研究這一重要課題。以孤東油田北一西線及其油井為例，運(yùn)用系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分析方法，找出影響機(jī)采系統(tǒng)效率提高關(guān)鍵環(huán)節(jié)，形成機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造的成套技術(shù)，對地面系統(tǒng)耗能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐一分析，探究各節(jié)點(diǎn)的能源損失現(xiàn)狀，找出主要矛盾，制定有效對策，從而達(dá)到機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能降耗的目的。

1 北一西線油井節(jié)點(diǎn)測試分析設(shè)置

為全面分析機(jī)采地面系統(tǒng)耗能狀況，將機(jī)采地面設(shè)備分成兩個子系統(tǒng)，即供配電子系統(tǒng)和油井地面設(shè)備子系統(tǒng)。

1.1 供配電子系統(tǒng)測試節(jié)點(diǎn)分析設(shè)置

供配電子系統(tǒng)涵蓋范圍為自變電所出口高壓線路，經(jīng)變壓器到油井控制箱線路輸入端。設(shè)變電所出口、變壓器高壓側(cè)、變壓器低壓側(cè)、油井控制箱輸入端四個測試節(jié)點(diǎn)。主要分析高壓線損、變壓器損耗、低壓線損三個評價指標(biāo)。

1.2 油井地面設(shè)備子系統(tǒng)測試節(jié)點(diǎn)設(shè)置

油井地面設(shè)備子系統(tǒng)涵蓋范圍為電動機(jī)、皮帶、變速箱、四連桿機(jī)構(gòu)、懸繩器。設(shè)自控箱、電動機(jī)，皮帶、變速箱（左右），四連桿機(jī)構(gòu)、懸繩器等五個節(jié)點(diǎn)。主要分析電動機(jī)效率、皮帶變速箱效率、四連桿機(jī)構(gòu)及懸繩器效率三項分析指標(biāo)。

2 北一西線油井節(jié)點(diǎn)測試分析

2.1 北一西線供電現(xiàn)狀

孤東油田北一西線線路長度為9.019 km，在用變壓器30臺，油井53口，1臺增壓泵，1臺外輸泵，具有外掛負(fù)荷少、采油工藝全面、測試計量方便等特點(diǎn)；同時該線路油井電動機(jī)、抽油機(jī)使用年限較長，品種、型號較多。主要設(shè)備、供電情況見表1。

表1 北一西線路供電統(tǒng)計

2.2 供配電子系統(tǒng)測試及損耗分析

2009年11月對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試，各測試點(diǎn)測試數(shù)據(jù)如表2所示。北一西線出口有功功率為655 kW，變壓器高壓側(cè)有功功率為644.52 kW，變壓器低壓側(cè)有功功率為573.279 kW，電動機(jī)輸入端有功功率為546.87 kW。計算各節(jié)點(diǎn)損耗見表3。高壓線路損耗為10.48 kW，變壓器損耗為71.24 kW，低壓線路損耗為26.41 kW，其損耗率分別為1.6%、10.88%、4.03%，占該子系統(tǒng)損耗比例分別為6.69%、65.88、24.42%。由此可見，有效控制變壓器損耗和低壓線路損耗是降低供配電子系統(tǒng)損耗的關(guān)鍵。

表2 供配電子系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計

表3 供配電子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)損耗統(tǒng)計

2.2.1 高壓供電線路損耗

高壓供電線路損耗由6 kV變電所出口的有功功率減去各個配電變壓器的輸入端有功功率之和得到。測試期間變電所出口的日均有功功率為655 kW，各個配電變壓器的輸入端有功功率之和為644.52 kW，高壓線損耗功率為10.48 kW，高壓線損耗率為1.6%，低于SY/T 6275—2007《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》中給出的限定值6%。

2.2.2 變壓器損耗

該線路變壓器的型號有S7、S9、S11和S13型。變壓器的容量及型號見表4。從表4可以看出，北一西線共有S7型變壓器5臺，占總數(shù)的16.66%，而S7型變壓器是國家已明令淘汰的高耗能產(chǎn)品，其損耗率比同負(fù)載率的5臺S11型變壓器高出35.6%。其他變壓器以S11型節(jié)能變壓器為主。經(jīng)測試，北一西線變壓器的平均負(fù)荷率為25.59%，存在相當(dāng)大的容量浪費(fèi)。抽油機(jī)井變壓器出端的平均電壓達(dá)到412.4 V，有17臺變壓器的輸出電壓超過了電壓波動范圍±7%（國家標(biāo)準(zhǔn)）?，F(xiàn)用變壓器擋位少，導(dǎo)致供電質(zhì)量低，變壓器和電動機(jī)效率降低，導(dǎo)致?lián)p耗增大。變壓器的總損耗功率達(dá)71.24 kW，總平均損耗率為11.05%，其中S7、S9、S11和S13型變壓器的平均損耗率見表5。

從表5可以看出，S7型變壓器的損耗率明顯高于其他類型的變壓器，其平均損耗率達(dá)到了17.59%。S9型變壓器只有2臺，分別帶1臺增壓泵拖動電動機(jī)和1臺潛油電動機(jī)，載荷波動不大，損耗率也較低。S11型變壓器是目前較為普遍使用的節(jié)能變壓器，占北一西線再用變壓器的2/3，其平均損耗率為10.68%。北一西線中還使用了3臺S13型高性能變壓器，其中有2臺為“一拖多”變壓器，其平均損耗率僅為2.76%。通過實測數(shù)據(jù)，對部分變壓器的特殊情況做如下分析：

表4 抽油機(jī)變壓器統(tǒng)計

表5 不同變壓器的平均損耗率

（1）“一拖多”的變壓器平均負(fù)載率為27.82%，略高于北一西線變壓器的平均負(fù)載率25.59%，平均損耗率為10.62%，略低于北一西線變壓器的平均損耗率11.05%。

（2）GD65-13井和6-26-463井對應(yīng)變壓器負(fù)載側(cè)功率因數(shù)分別只有0.295和0.1858，其拖動電動機(jī)為電磁調(diào)速電動機(jī)，該種電動機(jī)已經(jīng)被界定為高耗能電動機(jī)，其功率因數(shù)低下。在這種情況下，雖然這兩口井對應(yīng)的變壓器均為S11型變壓器，但其損耗率分別達(dá)到了21.23%和23.17%，說明負(fù)載側(cè)功率因數(shù)過低導(dǎo)致變壓器損耗增加。

（3）GD6-2井對應(yīng)變壓器為S13型變壓器，其負(fù)載側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.9818，器損耗率僅為1.28%?？梢?，S13型變壓器能夠保證負(fù)載側(cè)高功率因數(shù)運(yùn)行，其損耗率相當(dāng)?shù)停踔恋陀谧儔浩魇謨灾薪o出的1.95%的限定值。

（4）GD65P1為電泵井，用2臺變壓器帶動，1臺為降壓變壓器，1臺為升壓變壓器，其變壓器累加損耗率達(dá)到了32.45%，明顯高于1臺變壓器的損耗。

2.3 低壓配電線路損耗

共測試配電變壓器輸出側(cè)至油井控制柜之間的低壓線路51條，低壓供電線路損耗由配電變壓器出口的有功功率之和減去各個油井控制柜的輸入端有功功率之和得到，其損耗功率為26.4 kW，其平均線路損耗率為4.6%。

2.4 地面設(shè)備子系統(tǒng)測試分析

根據(jù)測試節(jié)點(diǎn)設(shè)置要求，選擇具備條件的10口油井進(jìn)行測試分析，測試數(shù)據(jù)見表6。10口油井電動機(jī)的平均效率為82.62%，損失1.38 kW，皮帶變速箱效率為79.75%，損失1.33 kW，四連桿機(jī)構(gòu)及懸繩器效率為61.07%，損失為1.75 kW，子系統(tǒng)損失為4.46 kW，綜合效率為43.83%。

表6 地面系統(tǒng)設(shè)備效率、損失一覽表

油井電動機(jī)以Y系列的三相異步電動機(jī)為主，地面電動機(jī)按功率等級劃分，統(tǒng)計情況見表7。其中，拖動螺桿泵的3臺異步電動機(jī)其額定功率均為22 kW，1臺外輸泵額定功率為250 kW，1臺增壓泵額定功率為30 kW，2臺雙功率電動機(jī)額定功率分別為15/18.5、22/37 kW，2臺永磁電動機(jī)額定功率均為37 kW。除了表7所列的地面電動機(jī)還有潛油電泵專用的潛油電動機(jī)3臺。

電動機(jī)平均功率因數(shù)為0.49，高于SY/T 6275—2007《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》中給出的限定值0.4，用抽油機(jī)光桿功率和抽油機(jī)電動機(jī)輸入有功功率計算得到46臺抽油機(jī)地面部分的平均效率為41.74%。由數(shù)據(jù)分析可知，抽油機(jī)井所帶46臺電動機(jī)存在問題如下：①額定功率在37 kW以上抽油機(jī)拖動電動機(jī)共9臺，其總額定功率為404 kW而電動機(jī)的輸入總有功功率為86.12 kW，功率利用率低，存在“大馬拉小車”現(xiàn)象；②應(yīng)用2臺永磁電動機(jī)，其功率因數(shù)分別為0.7261和0.587，而永磁電動機(jī)在合理使用的情況下其功率因數(shù)不應(yīng)低于0.9，造成其功率因數(shù)低的原因可能是永磁電動機(jī)設(shè)計結(jié)構(gòu)不合理、電動機(jī)運(yùn)行電壓偏離臨界反電勢等；③電動機(jī)極數(shù)較少，針對北一西線抽油井本身液量低的特點(diǎn)，不利于控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速，降低沖速；④異步電動機(jī)普遍加裝了電容補(bǔ)償，但13-55、 16-58、 15-258、 GD62-2、 2-17-57、2-19-71等油井采用的是靜態(tài)電容補(bǔ)償?shù)姆绞?，利用電參?shù)測試儀測得的功率因數(shù)為負(fù)值，呈現(xiàn)為過補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)；⑤GD65-13井和6-26-463井拖動電動機(jī)為電磁調(diào)速電動機(jī)，該種電動機(jī)已經(jīng)被界定為高耗能電動機(jī)，其輸入端功率因數(shù)分別為0.293和0.269。

表7 三相異步電動機(jī)統(tǒng)計

表8 電動機(jī)、齒輪箱效率評價

針對10口油井的機(jī)械傳動節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了抽測，測試節(jié)點(diǎn)包括電動機(jī)輸出軸，齒輪箱左輸出軸、齒輪箱右輸出軸，其測試結(jié)果見表8。從測試結(jié)果可以看出，電動機(jī)效率最低的井是19N55，為61%，其功率因數(shù)也較低，僅為0.3574。15-258井、16-58井與GD631-2井的電動機(jī)存在轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心的現(xiàn)象。所抽測的井齒輪箱及皮帶的傳動效率均在80%左右，可見，其損耗相對比較穩(wěn)定，沒有很大的節(jié)能潛力。

通過以上綜合分析可知，目前機(jī)采系統(tǒng)主要存在以下問題：①變壓器負(fù)載率低，能量損失大。測試變壓器負(fù)載僅為25.59%，損耗率達(dá)到了11.05%，而且S7系列老型號變壓器損耗率高達(dá)17.59%，造成變壓器平均損耗較高的主要原因是變壓器配置不合理。②部分油井低壓線路較長，損失大，需要進(jìn)行調(diào)整。③電動機(jī)功率利用率低，部分電動機(jī)效率低，需要進(jìn)行合理配置。通過測試表明，電動機(jī)平均效率只有80.74%，低于電動機(jī)的額定效率。④抽油機(jī)傳動機(jī)構(gòu)傳動效率低，測試電動機(jī)輸出到變速箱輸出的平均傳動效率為79.73%，四連桿機(jī)構(gòu)、懸繩器效率僅為66.62%，組合機(jī)、老抽油機(jī)嚴(yán)重地影響了抽油機(jī)的傳動效率。

3 節(jié)能技術(shù)改造對策措施

主要采取的節(jié)能技術(shù)改造對策措施有：應(yīng)用抽油機(jī)專用永磁電動機(jī)和配套9擋調(diào)壓變壓器，解決抽油機(jī)拖動系統(tǒng)“大馬拉小車”的問題；應(yīng)用16極永磁電動機(jī)降低低產(chǎn)液量井的沖速；應(yīng)用永磁電動機(jī)容性無功的附加特點(diǎn)，提高低壓線路和高壓線路的功率因數(shù)，以及應(yīng)用自動調(diào)節(jié)油嘴提高電泵效率，最終實現(xiàn)機(jī)采拖動系統(tǒng)效率最優(yōu)化。

3.1 應(yīng)用抽油機(jī)專用永磁電動機(jī)和配套9擋調(diào)壓變壓器

9擋永磁電機(jī)配套自動調(diào)壓變壓器，是針對抽油機(jī)“大馬拉小車”而設(shè)計制造的新產(chǎn)品，它可以保證抽油機(jī)在額定電壓下啟動，增加電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩，使電動機(jī)和變壓器的容量都有不同程度的下降，且可以為永磁電動機(jī)容性功率因數(shù)的發(fā)揮提供技術(shù)保障。因此，所有的S7型變壓器和部分損耗較大的S7型變壓器，應(yīng)更換為S11型9擋永磁電動機(jī)配套自動調(diào)壓變壓器，其更換情況見表9。

表9 抽油機(jī)變壓器更換

改造后北一西線油井變壓器容量降低2482 kVA，平均負(fù)荷率升為32.5%，抽油機(jī)井變壓器出端的平均電壓波動范圍控制在±7%以內(nèi)。按照以往THAS11在抽油機(jī)拖動系統(tǒng)實際應(yīng)用中的表現(xiàn)，改造后的變壓器損耗率將減少到5%，則變壓器總損失功率減少為39.77 kW，變壓器平均損耗率降為5.13%。

表10 正常沖速抽油機(jī)拖動電動機(jī)更換

抽油機(jī)專用永磁同步電動機(jī)節(jié)能改造情況見表10。表10中11口油井在更換為永磁電動機(jī)后，將在不加無功補(bǔ)償?shù)那闆r下呈容性狀態(tài)運(yùn)行，功率因數(shù)達(dá)到0.9以上；改造前11口油井的總有功功率為86.51 kW，總無功功率為122 kvar，按照永磁電動機(jī)有功節(jié)電率10%，無功節(jié)電率90%計算，則每天可節(jié)省有功電量207.62 kW·h。

3.2 應(yīng)用16極永磁電動機(jī)

針對低產(chǎn)液量井，本條線路2口油井抽油泵的充滿系數(shù)小于0.3的油井選取16極低速永磁電動機(jī)予以更換。低液量井的電動機(jī)更換情況見表11。

表11 低沖速抽油機(jī)拖動電動機(jī)更換

這2口油井在更換為低速永磁電動機(jī)后，其在不加無功補(bǔ)償?shù)那闆r下功率因數(shù)仍將達(dá)到90%以上，改造前2口油井的總有功功率為7.172 kW，總無功功率為18.669 kvar；按照低速永磁電動機(jī)有功節(jié)電率20%計算，無功節(jié)電率90%計算，則每天可節(jié)省有功電量34.43 kW·h。

3.3 應(yīng)用自動調(diào)節(jié)油嘴

自動調(diào)節(jié)油嘴具有自動穩(wěn)壓，自動調(diào)節(jié)產(chǎn)量，穩(wěn)定可靠，簡單易行，價格低廉等特點(diǎn)，是目前減小電泵井節(jié)流損失和排量調(diào)節(jié)的最有效措施之一。因此，北一西線負(fù)載的2臺潛油電泵井實施更換自動調(diào)節(jié)油嘴，以提高電泵井的效率。

4 分析與評價

4.1 節(jié)能技術(shù)改造投資預(yù)測

根據(jù)供應(yīng)系統(tǒng)定價，北-西線油井綜合改造總投資預(yù)測為60.051×104元。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

4.2.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

實施節(jié)能改造項目后，以變壓器容量費(fèi)年效益按每千伏安28元/月計算，則變壓器年減容效益為49.99×104元。

同時，實施節(jié)能改造項目后，12臺普通沖速油井電動機(jī)更換為8極永磁同步電動機(jī)，則年產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益為56.55×104元。

4.2.2 間接經(jīng)濟(jì)效益

（1）系統(tǒng)改造后輸入功率下降，設(shè)備工作電流也隨之下降，因此，可使設(shè)備的溫升下降，從而延長設(shè)備的使用壽命。

（2）工作電流下降導(dǎo)致高壓線路中的電流也下降，因此，在不改變原供電設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加了系統(tǒng)的供電能力10%以上。

（3）線路電流的減小，功率因數(shù)的提高，可減少線路損耗3～5個百分點(diǎn)，且可減少高壓側(cè)補(bǔ)償電容的費(fèi)用。

4.3 投資回收期預(yù)測分析

綜合以上分析，該項目實施后，其投資回收期預(yù)測為：項目年效益=60.015∶56.55=1.06，即該節(jié)能技術(shù)改造項目投資回收期為1.06年。

5 結(jié)束語

實踐證明，運(yùn)用系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分析方法，加強(qiáng)油田地面系統(tǒng)測試分析，找出影響提高機(jī)采系統(tǒng)效率關(guān)鍵環(huán)節(jié)，形成機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造的成套技術(shù)，對地面系統(tǒng)耗能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐一分析，探究各節(jié)點(diǎn)的能源損失現(xiàn)狀，找出主要矛盾，制定有效對策，是油田開展節(jié)能降耗工作的有效途徑。只有充分考慮油田生產(chǎn)實際，做到具體問題具體分析，推廣應(yīng)用最經(jīng)濟(jì)最適用的油田節(jié)能技術(shù)，有針對性地實施節(jié)能技術(shù)改造，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化，定能收到良好的節(jié)能技術(shù)改造效果，為創(chuàng)建資源節(jié)約型采油廠和油田生產(chǎn)建設(shè)需要服務(wù)。

［1］朱益飛.以”三標(biāo)”活動為載體，推動油田節(jié)能工作[J].變頻器世界,2009(9):47-49.

［2］朱益飛,石曉明,馬冬梅.提高孤東油田機(jī)采系統(tǒng)效率的探討[J].電力需求側(cè)管理,2009(4):44-48.

朱益飛，1989年畢業(yè)于華東石油學(xué)院，高級工程師，從事油田節(jié)能新技術(shù)新工藝的研究開發(fā)與推廣應(yīng)用工作，E-mail：zhuyifei112.slyt@sinopec.com，地址：山東省東營市仙河鎮(zhèn)勝利油田孤東采油廠技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督站，257237。

2011-05-12）