江漢油田機(jī)械采油系統(tǒng)節(jié)能措施及潛力分析

麥紅燕 （江漢石油管理局勘察設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢430223）

機(jī)械采油系統(tǒng)主要消耗的是電能，以2005年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例，江漢油田機(jī)械采油系統(tǒng)年耗電19558．30×104kWh，約占生產(chǎn)系統(tǒng)總耗電量的51．87%，江漢油田共有抽油機(jī)井1918口，總額定功率為64332kW，平均系統(tǒng)效率低于25%，與國(guó)內(nèi)石油行業(yè)系統(tǒng)效率先進(jìn)水平 （約35%）相比低很多。而系統(tǒng)效率每提高1%，可節(jié)電約3%。為了充分挖掘機(jī)械采油系統(tǒng)的節(jié)能降耗潛力，進(jìn)一步提高油田機(jī)械采油系統(tǒng)效率，自2007年初至2009年年底，江漢油田節(jié)能監(jiān)測(cè)站對(duì)分公司3個(gè)采油廠抽油井進(jìn)行了能耗調(diào)查測(cè)試，對(duì)機(jī)械采油系統(tǒng)各耗能環(huán)節(jié)進(jìn)行全面的分析，對(duì)節(jié)能新設(shè)備、節(jié)能新技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出節(jié)能技改措施及節(jié)能潛力，以期降低油田生產(chǎn)能耗。

1 機(jī)械采油系統(tǒng)存在的主要問題

1）“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴(yán)重 “大馬拉小車”是油田企業(yè)各類用能環(huán)節(jié)中普遍存在的現(xiàn)象。一是油井變壓器配備容量過(guò)大。目前多數(shù)抽油機(jī)井使用的是100kVA或50kVA的變壓器一對(duì)一拖動(dòng)55、45、37kW的Y系列異步電動(dòng)機(jī)。這樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使設(shè)備容量大，自身?yè)p耗高，系統(tǒng)效率低。二是抽油機(jī)電機(jī) “大馬拉小車”現(xiàn)象嚴(yán)重。江漢油田分公司機(jī)械采油系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的額定功率除坪北外絕大部分為37、45、55kW，以江漢采油廠五七作業(yè)區(qū)為例，336臺(tái)在用抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)平均額定功率為47kW。而由現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果可知，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸入功率大部分在3～10kW之間。

2）平衡度合格率偏低 抽油機(jī)平衡度的調(diào)節(jié)是確保抽油機(jī)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行的重要手段之一，平衡度好壞直接影響到抽油機(jī)的系統(tǒng)效率。項(xiàng)目測(cè)試的1179口井中就有462口平衡度不達(dá)標(biāo)，不合格率高達(dá)39．19%。

3）應(yīng)淘汰的舊變壓器仍在使用 調(diào)查發(fā)現(xiàn)，3個(gè)采油廠還有451臺(tái)國(guó)家已明令1998年底以前必須淘汰的S7、SL7型變壓器在用，占總數(shù)的33．78%。這些變壓器在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)間長(zhǎng)，空載損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)本次調(diào)查測(cè)試結(jié)果及有關(guān)資料顯示，這類變壓器空載損耗的平均值比S9型高0．4kW，極大的增加了變壓器損耗，造成能源極大的浪費(fèi)。

4）修復(fù)電機(jī)質(zhì)量不達(dá)標(biāo) 在2006年度中石化機(jī)采測(cè)試調(diào)查中，隨機(jī)抽查了30臺(tái)修復(fù)電機(jī)的空載損耗，平均2．87kW，平均值比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) （1．4kW）高出一倍多。

5）抽油機(jī)自身存在問題多，能耗高 首先，抽油機(jī)老齡化嚴(yán)重。以清河采油廠為例，在用抽油機(jī)共計(jì)870臺(tái) （2007年初統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)），全廠抽油機(jī)新度系數(shù)僅為0．3，大于14年的抽油機(jī)占12．5%，5～14年的占54．3%；其次，抽油機(jī)帶病運(yùn)行多。清河采油廠有169臺(tái)抽油機(jī)存在各種大大小小的問題，如基礎(chǔ)、減速箱、沖程孔壞及其他問題，占抽油機(jī)總數(shù)的19．4%。此類抽油機(jī)因帶病運(yùn)行，造成地面?zhèn)鲃?dòng)效率偏低。

6）抽汲參數(shù)匹配不合理 測(cè)試結(jié)果表明，50%井泵充滿系數(shù)低于標(biāo)準(zhǔn)要求值0．4，其中供液嚴(yán)重不足的井占12%，泵充滿系數(shù)低于0．2，平均沖次為4．31次／min，如果調(diào)整抽油機(jī)的沖次，僅將抽油機(jī)的泵排量系數(shù)提高到標(biāo)準(zhǔn)要求的0．4，理論上1．2次／min就可滿足生產(chǎn)工藝的需要，也就是說(shuō)將這些嚴(yán)重供液不足的井調(diào)整到1～2次就可滿足。

7）管理手段不夠先進(jìn) 由于無(wú)法經(jīng)常對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行測(cè)試，也無(wú)法及時(shí)了解到抽油機(jī)的運(yùn)行情況，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)會(huì)發(fā)生以下情況：有些嚴(yán)重漏失、斷脫等不正常的井不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)作業(yè)，導(dǎo)致抽油機(jī)空抽；抽油機(jī)工況的變化，導(dǎo)致平衡度變化，不能及時(shí)測(cè)試、及時(shí)調(diào)整；極少數(shù)動(dòng)液面在井口的井，不能及時(shí)調(diào)整參數(shù)把液面抽下去；供電質(zhì)量有不合格現(xiàn)象，有些額定電壓380V電動(dòng)機(jī)，實(shí)際工作電壓能達(dá)440V，高出額定電壓15%。導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)自身?yè)p耗加大本身效率下降約3%。變電所出口電壓高，而末端電壓低造成電機(jī)啟動(dòng)困難；部分采油廠對(duì)節(jié)能產(chǎn)品和節(jié)能技術(shù)的認(rèn)識(shí)不清，使用所謂的節(jié)能產(chǎn)品。

2 機(jī)械采油系統(tǒng)主要節(jié)能措施

1）選用節(jié)能電動(dòng)機(jī) 目前油田應(yīng)用的電機(jī)主要有雙功率電機(jī)、高轉(zhuǎn)差電機(jī)、電磁調(diào)速電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)及齒輪減速電機(jī)等，均為在普通Y系列異步電機(jī)的基礎(chǔ)上針對(duì)油田機(jī)械采油系統(tǒng)特殊的變動(dòng)負(fù)載工況進(jìn)行的改良，雖然都有一定的節(jié)能效果，但均存在適用范圍有限、機(jī)械或控制復(fù)雜、可靠度偏低，且缺少統(tǒng)一制造標(biāo)準(zhǔn)，后期運(yùn)行維護(hù)難以跟上的問題。而永磁電機(jī)不需要無(wú)功勵(lì)磁電流，可顯著提高功率因數(shù)，減少定子電流和定子電阻損耗，而且在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，進(jìn)而可以因總損耗降低而減小風(fēng)扇 （小容量電機(jī)甚至可去掉風(fēng)扇）和相應(yīng)的風(fēng)摩損耗，從而使其效率比同規(guī)格電動(dòng)機(jī)提高2%～8%；而且永磁電機(jī)在25%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，適應(yīng)范圍寬、啟動(dòng)扭矩大，額定功率可以比異步電動(dòng)機(jī)降低1～2個(gè)等級(jí)，最適應(yīng)于油田機(jī)械采油系統(tǒng)啟動(dòng)扭矩大、運(yùn)行負(fù)荷小、負(fù)荷波動(dòng)較劇烈的工況。因此永磁同步電動(dòng)機(jī)也被國(guó)家發(fā)改委選為 “十一五”期間在石油行業(yè)重點(diǎn)推廣的一項(xiàng)技術(shù)。

2）選用節(jié)能控制柜 目前常見的抽油機(jī)節(jié)能控制柜主要有可控硅實(shí)時(shí)調(diào)壓控制柜、△-Y切換控制柜電容控制柜、變頻器控制柜、間開控制柜等5種電機(jī)控制柜。測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，作為機(jī)采拖動(dòng)系統(tǒng)中的輔助裝置，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率低于10%時(shí)部分節(jié)能控制柜才具有明顯的節(jié)電效果?？傊?，從系統(tǒng)優(yōu)化的層次出發(fā)，控制柜不宜單獨(dú)作為機(jī)械采油系統(tǒng)節(jié)能的主流推廣產(chǎn)品。

3）配電變壓器 當(dāng)前配電變壓器的節(jié)能改造主要體現(xiàn)在產(chǎn)品的升級(jí)換代，用S11、S13等新型號(hào)變壓器替代S7及S7以下型號(hào)淘汰變壓器。由于變壓器制造材料和制造工藝的進(jìn)步，新型變壓器較之按20世紀(jì)80年代標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的S7型變壓器，其空載損耗及負(fù)載損耗均大幅降低。

4）機(jī)械減速傳動(dòng) 由于普通電機(jī)最低速度和皮帶輪的最小包角限制，抽油機(jī)的最小沖次僅能調(diào)到4次／min，對(duì)于大多數(shù)泵充滿系數(shù)小于0．4的井，1～1．5次／min即可滿足生成工藝要求。目前通過(guò)降低沖次提高系統(tǒng)效率的技術(shù)主要有電機(jī)改造 （包括電磁調(diào)速電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、齒輪減速電機(jī)、16極永磁同步電機(jī)）、控制柜改造 （主要包括變頻器控制柜和間開控制柜）和機(jī)械減速傳動(dòng)。機(jī)械減速傳動(dòng)主要是通過(guò)在電機(jī)皮帶輪和齒輪箱皮帶輪之間增加一級(jí)機(jī)械減速輪，以降低抽油機(jī)沖次，提高泵沉沒時(shí)間。這種減速裝置非常簡(jiǎn)單，只要調(diào)整輪徑的大小，就可將抽油機(jī)的沖次調(diào)整到1次／min。其缺點(diǎn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，且增加一級(jí)皮帶傳送會(huì)造成機(jī)械損失增大，但可提高系統(tǒng)效率。

綜合對(duì)比，16極永磁同步電機(jī)和超低速電機(jī) （齒輪減速電機(jī)）應(yīng)用效果明顯，是技術(shù)較為成熟的降低沖次的產(chǎn)品。

5）其他節(jié)能技術(shù) ①節(jié)能抽油機(jī)。目前油田成熟應(yīng)用的節(jié)能抽油機(jī)主要包括異相曲柄游梁式抽油機(jī)、皮帶機(jī)、雙驢頭抽油機(jī)等3種。其他新型節(jié)能抽油機(jī)，大都屬于試驗(yàn)性投資，且一種技術(shù)成熟、尤其是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用穩(wěn)定可靠的抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)周期不應(yīng)少于3a，其改造施工周期長(zhǎng)，改造前后工況變化大，進(jìn)行對(duì)比測(cè)試需要較長(zhǎng)時(shí)間。②機(jī)械采油系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。油田企業(yè)生產(chǎn)具有開放性特點(diǎn)，采油井地域跨度大、環(huán)境惡劣，給生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的精細(xì)化管理造成了極大的障礙。利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)作為一種管理輔助手段，與人工檢修相結(jié)合，是提高機(jī)采井管理水平的一項(xiàng)有效措施。目前，已投入使用的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)主要分為2類：安全監(jiān)控 （主要是在井場(chǎng)安裝攝像頭，監(jiān)控漏油、偷盜等安全問題）和數(shù)據(jù)采集 （主要是對(duì)抽油機(jī)實(shí)時(shí)采集電機(jī)電壓、電流及示功圖等數(shù)據(jù)資料）。從節(jié)能管理的角度出發(fā)，在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于動(dòng)態(tài)掌握生產(chǎn)井的運(yùn)行狀況，及時(shí)優(yōu)化調(diào)整意義重大，但目前主要問題是基層職工整體節(jié)能知識(shí)水平不高，面對(duì)各種實(shí)時(shí)參數(shù)發(fā)現(xiàn)不了問題。

3 江漢油田機(jī)械采油系統(tǒng)可行的節(jié)能方案

由于機(jī)械采油系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，節(jié)能抽油機(jī)、抽油機(jī)節(jié)能控制器和節(jié)能電動(dòng)機(jī)的組合，應(yīng)根據(jù)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)選擇。如果沒有完備的理論分析和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作根據(jù)，則建議用于機(jī)械采油系統(tǒng)的節(jié)能產(chǎn)品，最好單獨(dú)使用，不要疊加。通過(guò)對(duì)機(jī)械采油系統(tǒng)的能耗測(cè)試調(diào)查分析及江漢油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的節(jié)能措施效果對(duì)比以及其他油田已應(yīng)用節(jié)能措施情況，現(xiàn)階段江漢油田分公司機(jī)械采油系統(tǒng)切實(shí)可行的節(jié)能方案推薦從以下幾個(gè)方面著手：

1）推廣新型抽油機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng) 經(jīng)大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)比及各油田的應(yīng)用效果證明，抽油機(jī)專用永磁同步電動(dòng)機(jī)值得各油田大力推廣，比較適用于功率因數(shù)低、裝機(jī)功率大的抽油機(jī)井。推廣應(yīng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)注意的問題是要嚴(yán)格篩選永磁體和電機(jī)生產(chǎn)廠家。對(duì)供液嚴(yán)重不足的生產(chǎn)井，采用16極永磁電機(jī)或超低速齒輪減速電機(jī)，健全修復(fù)電機(jī)質(zhì)量監(jiān)督與檢驗(yàn)。

2）搞好抽油機(jī)平衡 抽油機(jī)運(yùn)行不平衡，會(huì)造成電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流和功率因數(shù)波動(dòng)過(guò)大，少量電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)負(fù)功現(xiàn)象，造成不必要的耗電。因此，必須保證抽油機(jī)的平衡度要求，穩(wěn)定抽油機(jī)工作時(shí)平衡度（下行峰值電流與上行峰值電流比值）在80%～110%之間。

3）加強(qiáng)管理 管理要加強(qiáng)，減少機(jī)械采油系統(tǒng)的磨損，合理匹配抽汲參數(shù)。

4 江漢油田機(jī)械采油系統(tǒng)節(jié)能潛力

根據(jù)本次測(cè)試結(jié)果及對(duì)分公司機(jī)械采油系統(tǒng)的深入研究，查找出了系統(tǒng)各耗能環(huán)節(jié)存在的主要問題，通過(guò)應(yīng)用以下新技術(shù)和提高管理手段，江漢油田分公司至少存在4554×104kWh的節(jié)能潛力。

1）將淘汰變壓器更換成節(jié)能變壓器 根據(jù)中石化能源檢測(cè)中心的測(cè)試結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)S7型變壓器與S9型變壓器相比空載損耗平均增加0．4kW，因此在計(jì)算淘汰老舊S7型變壓器，換用S9型或S11型變壓器節(jié)電潛力時(shí)，按一臺(tái)節(jié)電0．4kW，這樣更換一臺(tái)S7型淘汰變壓器一年就可節(jié)電3504度，可實(shí)施量有451臺(tái)，年綜合節(jié)電158×104kWh。

2）普通Y系列電機(jī)更換成高效節(jié)能電機(jī) 根據(jù)全國(guó)節(jié)能計(jì)量測(cè)試技術(shù)服務(wù)中心對(duì)勝利油田分公司河口采油廠安裝的124臺(tái)雙電壓自動(dòng)調(diào)壓變壓器的檢測(cè)，以30kVA雙電壓自動(dòng)調(diào)壓變壓器替代50kVA普通變壓器 （配套使用永磁同步電動(dòng)機(jī)），節(jié)電率為24．76%，因此對(duì)于需要更換雙電壓自動(dòng)調(diào)壓變壓器配套永磁同步電動(dòng)機(jī)的抽油機(jī)，按一臺(tái)節(jié)電20%，即單井輸入功率的20%即為節(jié)電功率；按600臺(tái)計(jì)，單項(xiàng)年節(jié)電14016kWh，綜合年節(jié)電841×104kWh。

3）修復(fù)電機(jī)質(zhì)量達(dá)標(biāo) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，修復(fù)電機(jī)的空載損耗比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)高0．9kW，故修復(fù)更換時(shí)，按每臺(tái)0．9kW計(jì)算，每臺(tái)每年可節(jié)電7884kWh；可實(shí)施量300臺(tái)，年綜合節(jié)電237×104kWh。

4）抽油機(jī)調(diào)平衡 根據(jù)權(quán)威資料和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，抽油機(jī)從不平衡調(diào)到平衡節(jié)電 （0．3～1．5）kW，按0．5kW計(jì)，則調(diào)整一口不平衡井年節(jié)電量為4380kWh，共有726口井，年綜合節(jié)電318×104kWh。

5）調(diào)整抽油機(jī)沖次，提高泵充滿系數(shù) 經(jīng)過(guò)調(diào)查測(cè)試，江漢油田目前低充滿系數(shù)井共有981口，通過(guò)降低抽油機(jī)沖次，提高泵充滿系數(shù)，理論上年節(jié)電量3000萬(wàn)kWh（見表1）。

表1 江漢油田分公司低充滿系數(shù)井降低沖次后節(jié)電量計(jì)算表

5 結(jié) 語(yǔ)

研究的節(jié)能技改措施在江漢油田各個(gè)采油廠節(jié)能技改項(xiàng)目中都得到了廣泛應(yīng)用，在經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)可靠性上取得了較好的效果?，F(xiàn)階段油田分公司機(jī)采系統(tǒng)切實(shí)可行的節(jié)能方案首先是推廣新型抽油機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)，包括推廣抽油機(jī)專用永磁同步電動(dòng)機(jī)、對(duì)供液嚴(yán)重不足的生產(chǎn)井，采用16極永磁電機(jī)或超低速齒輪減速電機(jī)。另外，健全修復(fù)電機(jī)質(zhì)量監(jiān)督與檢驗(yàn)，搞好抽油機(jī)平衡，加強(qiáng)管理，減少機(jī)采系統(tǒng)的磨損，合理匹配抽汲參數(shù)。通過(guò)應(yīng)用新技術(shù)和提高管理手段，分公司機(jī)采系統(tǒng)至少存在4554×104kWh的節(jié)能潛力。