機(jī)械鉆機(jī)電代油節(jié)能減排效果測(cè)試方法研究

張 健， 周 霞， 劉 旭, 趙 猛, 張欽欽， 黑 亮

(1中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院 2國(guó)家工信部工業(yè)(石油井控和鉆采設(shè)備)產(chǎn)品質(zhì)量控制和技術(shù)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室 3中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司泥漿技術(shù)服務(wù)分公司 4中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第二鉆井工程分公司)

近年來(lái)，中石油集團(tuán)公司特別強(qiáng)調(diào)在鉆井生產(chǎn)中節(jié)能降耗，減少碳排放，降低生產(chǎn)成本。在此基調(diào)下，國(guó)內(nèi)各大油田電網(wǎng)覆蓋率越來(lái)越大，電動(dòng)化鉆機(jī)的應(yīng)用不斷增加，由電能作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)鉆井設(shè)計(jì)已成為鉆井工程的必然趨勢(shì)[1]。機(jī)械鉆機(jī)“電代油”技術(shù)，就是對(duì)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的鉆機(jī)進(jìn)行電動(dòng)化技術(shù)改造，通過(guò)多臺(tái)高/低壓電機(jī)和無(wú)級(jí)調(diào)速液力耦合減速器改變鉆機(jī)傳統(tǒng)的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，將柴油機(jī)并車(chē)驅(qū)動(dòng)改為交流電動(dòng)機(jī)并車(chē)驅(qū)動(dòng)。實(shí)施此項(xiàng)技術(shù)后，泥漿泵排量大、泵壓高，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速高、扭矩大，可大大提高鉆進(jìn)速度?！半姶汀便@機(jī)與柴油動(dòng)力鉆機(jī)相比，體積小，重量輕，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動(dòng)小，噪聲低，避免了廢氣對(duì)環(huán)境的污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每部鉆機(jī)年消耗柴油1 000余噸、機(jī)油10余噸，由于柴油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，跑、冒、滴、漏現(xiàn)象嚴(yán)重，若采用電代油技術(shù)將很好地避免上述情況，同時(shí)減少二氧化碳、氮氧化物和可吸入顆粒物等排放，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。為更好地評(píng)價(jià)機(jī)械鉆機(jī)電代油技術(shù)的節(jié)能減排效果，需要研究一套針對(duì)性的測(cè)試方法。

一、節(jié)能減排效果量化原理

1. 節(jié)能效果

機(jī)械鉆機(jī)電代油技術(shù)節(jié)能效果量化原理是通過(guò)對(duì)鉆機(jī)電代油項(xiàng)目改造前后動(dòng)力端設(shè)備的單功率標(biāo)煤消耗量的對(duì)比計(jì)算得出其節(jié)能率,見(jiàn)式(1):

(1)

式中：φ—節(jié)能率，%；Q—柴油機(jī)燃油消耗率，g/kWh；ηt—變壓器運(yùn)行效率，%；ηe—電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率，%；ce—電力折標(biāo)煤系數(shù)，gce/kWh；cd—柴油折標(biāo)煤系數(shù)，gce/g。

2. 減排效果

機(jī)械鉆機(jī)電代油技術(shù)減排效果量化原理是根據(jù)改造前柴油機(jī)燃燒柴油的二氧化碳排放量來(lái)評(píng)價(jià)改造后使用電力的二氧化碳減排量,見(jiàn)式(2)：

Wco2=Q×EFco2×10-3

(2)

式中：Wco2—“電代油”改造后二氧化碳減排量，kg/kWh；EFco2—柴油燃燒的CO2排放系數(shù)，kg/kg。

二、關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試與計(jì)算方法

1. 柴油機(jī)燃油消耗率

在柴油機(jī)正常運(yùn)行情況下，通過(guò)對(duì)柴油機(jī)的燃油溫度、燃油消耗量、輸出軸扭矩和轉(zhuǎn)速等運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算出柴油機(jī)的燃油消耗率。在無(wú)法直接測(cè)試柴油機(jī)輸出軸扭矩和轉(zhuǎn)速的情況下，通過(guò)對(duì)柴油機(jī)的燃油溫度、燃油消耗量、排煙溫度、煙氣成分、冷卻水溫度等運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算出柴油機(jī)的燃油消耗率。具體可參照Q/SYCQZ 1001-2015《鉆機(jī)電代油節(jié)能效果測(cè)試》進(jìn)行測(cè)試計(jì)算。

2. 變壓器運(yùn)行效率

在變壓器正常運(yùn)行下，通過(guò)對(duì)變壓器的低壓輸出端電流、電壓、有功功率、視在功率、功率因數(shù)等運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算變壓器的運(yùn)行效率[2]。

β=If/Ie

(3)

式中：β—變壓器負(fù)載系數(shù)；If—變壓器負(fù)載電流，A；Ie—變壓器額定電流，A。

變壓器輸出功率按式(4)計(jì)算：

Pb2=βSNcosφ

(4)

式中：Pb2—變壓器輸出功率，kW；SN—變壓器額定容量，kVA；cosφ—變壓器功率因數(shù)。

變壓器負(fù)載損耗按式(5)計(jì)算：

PK=β2PKN

(5)

式中：PK—變壓器負(fù)載損耗，kW；PKN—變壓器在額定電流時(shí)的負(fù)載損耗，kW。

變壓器輸入功率按式(6)計(jì)算：

Pb1=Pb2+Pb0+PK

(6)

式中：Pb1—變壓器輸入功率，kW；Pb0—變壓器空載損耗，kW。

變壓器運(yùn)行效率按式(7)計(jì)算：

(7)

式中：ηb—變壓器運(yùn)行效率，%。

3. 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率

在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行情況下，通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸入電流、電壓、有功功率、視在功率、功率因數(shù)、電源頻率以及輸出軸扭矩、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率。

電動(dòng)機(jī)輸出功率按式(8)計(jì)算：

(8)

式中：Pd2—電動(dòng)機(jī)輸出功率，kW；T—電動(dòng)機(jī)輸出扭矩，N·m；n—電動(dòng)機(jī)主軸轉(zhuǎn)速，r/min。

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率按式(9)計(jì)算：

(9)

式中：ηd—電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率，%；Pd1—電動(dòng)機(jī)輸入功率，kW。

三、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1. 改造情況

中石油川慶鉆探工程有限公司某機(jī)械鉆機(jī)在四川長(zhǎng)寧某平臺(tái)作業(yè)，使用2套變頻電機(jī)動(dòng)力機(jī)組替代原配備的2臺(tái)濟(jì)柴190型柴油機(jī)動(dòng)力機(jī)組，保留1臺(tái)柴油機(jī)動(dòng)力機(jī)組作為在工業(yè)電網(wǎng)停電時(shí)的應(yīng)急作業(yè)備用。變頻電機(jī)動(dòng)力機(jī)組與柴油機(jī)動(dòng)力機(jī)組能夠進(jìn)行互換，在不滿(mǎn)足工業(yè)電網(wǎng)供電的條件下，可以恢復(fù)到改造前柴油機(jī)動(dòng)力機(jī)組驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的狀態(tài)。為驗(yàn)證電代油技術(shù)在此次改造應(yīng)用中的節(jié)能減排效果，運(yùn)用本文方法開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比測(cè)試。

2. 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況

2.1 節(jié)能效果

根據(jù)上述測(cè)試和計(jì)算方法,該鉆井隊(duì)?wèi)?yīng)用電代油技術(shù)對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行改造后，綜合能耗下降了65.9%，節(jié)能效果十分顯著，見(jiàn)表1。

表1 電代油技術(shù)措施節(jié)能率計(jì)算結(jié)果

表2 電代油技術(shù)GNG減排率計(jì)算結(jié)果

2.2 減排效果

鉆井作業(yè)消耗的柴油或電力所排放的GNG(溫室氣體)主要包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)，則根據(jù)上述測(cè)試和計(jì)算方法，此次電代油改造所獲得的GNG減排率計(jì)算結(jié)果如表2。

由表2可以看出，鉆井隊(duì)?wèi)?yīng)用該網(wǎng)電裝置進(jìn)行鉆機(jī)“電代油”技術(shù)改造后，單功率可以減少GNG CO2e排放量0.325 kg，同比下降了34.4%，溫室氣體減排效果明顯。

四、結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)機(jī)械鉆機(jī)電代油技術(shù)改造原理的研究分析，推導(dǎo)出了機(jī)械鉆機(jī)電代油改造的技術(shù)節(jié)能率計(jì)算公式，為機(jī)械鉆機(jī)電代油改造項(xiàng)目節(jié)能量的測(cè)算提供了理論依據(jù)。

(2)通過(guò)對(duì)鉆井作業(yè)燃料消耗所排放溫室氣體種類(lèi)的分析，提出了機(jī)械鉆機(jī)電代油技術(shù)二氧化碳減排量計(jì)算公式，為機(jī)械鉆機(jī)電代油技術(shù)改造項(xiàng)目的GNG綜合排放量及環(huán)保效果評(píng)價(jià)提供了科學(xué)依據(jù)。

(3)通過(guò)在長(zhǎng)寧某平臺(tái)某機(jī)械鉆機(jī)電代油改造項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試計(jì)算與分析，驗(yàn)證了本方法的可操作性，對(duì)機(jī)械鉆機(jī)電代油改造項(xiàng)目節(jié)能減排效果的測(cè)試與評(píng)價(jià)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。