自動(dòng)化儀器、儀表及數(shù)字化油田建設(shè)在油田生產(chǎn)、節(jié)能中的應(yīng)用

齊照慶（大慶油田自動(dòng)化儀表有限公司）

隨著無(wú)線通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)等先進(jìn)科技的發(fā)展，自動(dòng)化儀器、儀表在油田生產(chǎn)建設(shè)中起到的作用更加無(wú)法替代，因其具備較高的效率性、智能性、準(zhǔn)確性等特點(diǎn)，取代傳統(tǒng)的人工儀表已成為必然的趨勢(shì)。自動(dòng)化儀器、儀表在無(wú)線通訊等技術(shù)的支持下，已形成的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，從感知層的各類(lèi)傳感器到通訊層再到上位機(jī)數(shù)據(jù)處理層，已向著智能化、智慧化、大數(shù)據(jù)的時(shí)代發(fā)展，從而大大提高生產(chǎn)效率，降低人工成本和生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，并廣泛用于油田生產(chǎn)中；但是，在應(yīng)用過(guò)程中因多種因素影響造成大量的能源損耗。例如：在流體輸送時(shí)，由于流體特性及管道的影響，自動(dòng)化設(shè)備會(huì)產(chǎn)生較大的阻力，導(dǎo)致電能損耗加大。據(jù)調(diào)查，因流體阻力損耗的電能約占總耗電的20%。由此可見(jiàn)，如果能在油田的生產(chǎn)中采取行之有效的節(jié)能措施，對(duì)降低自動(dòng)化儀表的能源損耗具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 自動(dòng)化儀器、儀表與節(jié)能的關(guān)系

作為油田生產(chǎn)系統(tǒng)中不可或缺的一部分，儀器、儀表在油田各環(huán)節(jié)中十分重要，充分體現(xiàn)了其顯示、檢測(cè)準(zhǔn)確、控制各類(lèi)參數(shù)、安全連鎖保護(hù)、數(shù)據(jù)分析等作用。在儀表的實(shí)際使用過(guò)程中，如果設(shè)備能一直處于穩(wěn)定可靠的狀態(tài)，就可以更科學(xué)、高效地掌控生產(chǎn)的全過(guò)程，并且隨著信息化的發(fā)展，無(wú)線傳輸技術(shù)、大數(shù)據(jù)集成處理、各類(lèi)預(yù)警功能的應(yīng)用，在油田生產(chǎn)的緊急情況下可以對(duì)事件進(jìn)行提前判斷并有效控制；因此，眾多油田單位都將自動(dòng)化儀表作為了解并控制油田生產(chǎn)的一個(gè)重要手段。

通過(guò)對(duì)油田自動(dòng)化儀表節(jié)能進(jìn)行分析，其本質(zhì)是指在滿(mǎn)足相關(guān)要求的基礎(chǔ)上通過(guò)計(jì)算、控制管理等多種手段，綜合考慮經(jīng)濟(jì)條件、生產(chǎn)技術(shù)及環(huán)境等多方面因素，進(jìn)而提高油田產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益及能源利用率。事實(shí)上，就實(shí)現(xiàn)油田自動(dòng)化儀表節(jié)能而言，其本質(zhì)上涵蓋了包括頂層設(shè)計(jì)、方案分析、產(chǎn)品選型、安裝調(diào)試、系統(tǒng)維護(hù)，以及后續(xù)方案的改進(jìn)與優(yōu)化在內(nèi)幾個(gè)方面的內(nèi)容，而這幾個(gè)方面在一定程度上也是互相依托、相輔相成、缺一不可。但是，如何衡量油田自動(dòng)化儀表節(jié)能是否達(dá)到了節(jié)能的效果，所參考的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)或參數(shù)是什么，這就不得不提到一個(gè)概念-節(jié)能量。而所謂的節(jié)能量就是在一定時(shí)期內(nèi)節(jié)約的能源數(shù)量，即完成同一個(gè)任務(wù)量時(shí)所節(jié)省下來(lái)的能源消耗。主要包括單耗降低、效率提高合理節(jié)能等節(jié)能計(jì)算方法，這些方法也為油田自動(dòng)化儀表節(jié)能措施的制定與實(shí)施提供了科學(xué)的參考依據(jù)。

2 油田自動(dòng)化儀表節(jié)能措施

針對(duì)目前油田在用儀表的實(shí)際使用情況，自動(dòng)化儀表存在著很大的節(jié)能潛力，為將儀表的節(jié)能效果發(fā)揮出來(lái)，特采取以下措施，以達(dá)到與國(guó)家節(jié)能環(huán)保相符合的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1 對(duì)自動(dòng)化儀表的傳輸阻力進(jìn)行有效控制

在油田各項(xiàng)生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)操作過(guò)程中，由于自動(dòng)化儀表與地面流體發(fā)生直接接觸，所以不可避免會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的阻力，隨著阻力的增大，消耗的能量也會(huì)增大。流體在線路傳輸過(guò)程中，介質(zhì)與流量?jī)x表及閥組之間產(chǎn)生的阻礙所占的比重相對(duì)較高，因此，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的關(guān)鍵方法是降低儀表對(duì)介質(zhì)傳輸?shù)淖璧K[1]。

1）在各種流量測(cè)量裝置中增大節(jié)流裝置的直徑比。在油田的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，廣泛應(yīng)用節(jié)流裝置，其使用范圍約為三分之二。就流體性質(zhì)而言，其本身具有一定黏性，因此，當(dāng)液體傳輸經(jīng)過(guò)節(jié)流器件時(shí)，節(jié)能件形成漩渦以及克服摩擦消耗了較多的能量；同時(shí)，液體的靜壓力在傳輸過(guò)程中，通過(guò)節(jié)流裝置后也會(huì)存在相應(yīng)的壓力損失，且不能完全恢復(fù)。這就可以說(shuō)明，壓力損失、直徑比兩者之間是反比關(guān)系，即要減少壓力損失，就需要使相應(yīng)的直徑比增大，才能實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。

2）通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制達(dá)到節(jié)能的目的。首先引入一個(gè)調(diào)節(jié)閥的閥阻比概念，具體涵義是指在閥體全開(kāi)的狀態(tài)下，壓力降低與管路總體壓力降低的比值，若用S表示，其數(shù)值越大，則損失在閥上的能量就越多[2]。按照實(shí)際使用情況測(cè)算S值，而閥組比的取值范圍通常在0.3～0.5之間；在介質(zhì)為氣體時(shí)，閥組比相對(duì)較高，會(huì)高于0.5。在油田生產(chǎn)中利用調(diào)節(jié)閥控制流量，通過(guò)減低調(diào)節(jié)閥的閥阻比，可大大降低應(yīng)用過(guò)程中機(jī)泵運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電能消耗，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2.2 充分利用交流變頻技術(shù)

在石油工業(yè)的生產(chǎn)指揮自動(dòng)化系統(tǒng)中，為滿(mǎn)足控制離心泵出口流量的需求，所使用的調(diào)節(jié)器需要根據(jù)工況設(shè)定最佳PID值進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，進(jìn)而對(duì)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度流量起到相應(yīng)的控制效果[3]。但需要注意的是，這種在規(guī)律下進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的調(diào)節(jié)方案是存在一定缺陷的。主要表現(xiàn)如下：節(jié)能性較差，這種以變阻力元件為主要元配件進(jìn)行工作調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)器，其本身存在一定能量損耗；經(jīng)濟(jì)性較小，因?yàn)殡x心泵的出口側(cè)面設(shè)有截止閥，用以配合調(diào)節(jié)閥的正常運(yùn)行，這就限制了泵的選擇，要求所選用的離心泵必須要具備較大的額定功率，以滿(mǎn)足負(fù)荷不斷變化的動(dòng)力需求，同時(shí)也不利于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)方案。

在電子科技的推動(dòng)下，所研發(fā)的變頻節(jié)能調(diào)速器廣泛用于各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。這是因?yàn)樽冾l調(diào)速器具有很好的節(jié)能效果，且更加經(jīng)濟(jì)方便，極大地提高設(shè)備的運(yùn)行效率。而用于工業(yè)化工生產(chǎn)系統(tǒng)中的調(diào)速器，同樣可以充分利用高性能的變頻技術(shù)來(lái)完善其調(diào)節(jié)方案，即利用變頻調(diào)速器來(lái)控制泵的出口流量。使用交流變頻調(diào)速器呈現(xiàn)下述優(yōu)越性：安裝方式具有非接觸、無(wú)阻力的特點(diǎn)；由于對(duì)泵轉(zhuǎn)速直接進(jìn)行控制，進(jìn)而更容易有效控制流量；采用大范圍無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)節(jié)效果會(huì)更好，省去調(diào)節(jié)閥等一系列環(huán)節(jié)。按照原則選用機(jī)泵以及調(diào)節(jié)閥上的壓降，通過(guò)變頻控制器共同組成調(diào)節(jié)系統(tǒng)，提高整體效率，這種方式預(yù)計(jì)能夠減少電能消耗約百分之三十；而對(duì)于那些原有機(jī)泵選擇過(guò)盈量太多，或者機(jī)泵在生產(chǎn)時(shí)低負(fù)荷運(yùn)行的，節(jié)能效果相對(duì)而言更佳顯著。

2.3 選擇無(wú)壓損或低壓損的自動(dòng)化儀表

在測(cè)試流體流量時(shí)，節(jié)能裝置在其實(shí)際測(cè)試過(guò)程中存在的壓損較大，而節(jié)能裝置的使用率很高，約為70%，這樣不利于節(jié)能。因此，在工業(yè)領(lǐng)域無(wú)壓損和低壓損儀表得到較大關(guān)注，尤其是近幾年廣泛應(yīng)用的旋進(jìn)旋渦流量計(jì)和笛形均速管流量計(jì)。其具有造價(jià)低廉、壓損微小和安裝方便的特點(diǎn)，受到各油田一線操作人員的好評(píng)[4]。儀表選擇是油田設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在考慮儀表性能的同時(shí)要兼顧節(jié)能，而通過(guò)研發(fā)和革新制造出更加環(huán)保、節(jié)能的儀表也成為儀表行業(yè)的一個(gè)新的發(fā)展方向。

2.4 對(duì)自動(dòng)化儀表的運(yùn)行方案進(jìn)行優(yōu)化

為使調(diào)節(jié)閥的壓損降低，可以考慮將調(diào)節(jié)閥安裝在換熱器之后，因大部分壓降是在流量調(diào)節(jié)閥上產(chǎn)生的，其操作過(guò)程是物料先經(jīng)預(yù)熱器的預(yù)熱，再通過(guò)閃蒸罐進(jìn)行閃蒸，將調(diào)節(jié)閥布置在閃蒸罐的入口處，這樣可以有效地控制換熱器物料的氣化。

如果將調(diào)節(jié)閥安裝在換熱器之前，在操作過(guò)程中調(diào)節(jié)閥自身會(huì)存在壓損，同時(shí)會(huì)降低物料在進(jìn)入換熱器時(shí)產(chǎn)生的壓力，而在換熱器內(nèi)進(jìn)行加熱所用的蒸汽量也會(huì)隨之降低；因此，對(duì)裝置的合理布局，在一定程度和情況下可以起到明顯的節(jié)能效果。

2.5 數(shù)字化油田建設(shè)

抽油機(jī)是油田生產(chǎn)中的重要地面機(jī)械，其種類(lèi)繁多。而抽油機(jī)設(shè)計(jì)的運(yùn)行參數(shù)不能完全與井口的實(shí)際情況進(jìn)行匹配，在不同油井不同負(fù)荷的情況下，如何使抽油機(jī)的工作狀態(tài)保持最佳水平，最大限度提高其工作能力，做到低碳開(kāi)發(fā)，保證節(jié)能開(kāi)采，這是問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

數(shù)字化抽油機(jī)是集數(shù)據(jù)采集、傳輸和遠(yuǎn)程控制多種功能于一體的多功能抽油機(jī)，配有多種數(shù)字化設(shè)備，主要包括數(shù)字化抽油機(jī)智能控制柜、三項(xiàng)電參采集器、電動(dòng)機(jī)變頻控制、一體化載荷懸繩器、傳感器、平衡調(diào)節(jié)裝置等。這些設(shè)備共同承擔(dān)著對(duì)油井參數(shù)進(jìn)行采集、傳輸、分析，對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程啟?？刂疲瑢?duì)抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警；并根據(jù)井口參數(shù)，對(duì)最佳的沖速進(jìn)行判斷、調(diào)節(jié)，利用動(dòng)平衡達(dá)到節(jié)約能源的目的[5]。通過(guò)無(wú)線傳輸，將后臺(tái)分析的結(jié)果轉(zhuǎn)化成信號(hào)，傳遞給變頻器；通過(guò)調(diào)整將電動(dòng)機(jī)的輸入頻率調(diào)整到最佳狀態(tài)，使抽油機(jī)平衡效果更好，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)使用壽命更長(zhǎng)、功率更小，提高生產(chǎn)效率的同時(shí)節(jié)約人工、電能等成本，減少設(shè)備損耗和維修費(fèi)用[6]。

通過(guò)實(shí)際測(cè)算，數(shù)字化抽油機(jī)與同一型號(hào)的常規(guī)抽油機(jī)相比，電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)和地面效率更高，平衡度更好，無(wú)功功率更低，這都表明了數(shù)字化抽油機(jī)在節(jié)能方面的作用。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，隨著無(wú)線通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化儀器、儀表已得到更新，并不斷向節(jié)能減排的領(lǐng)域拓展。環(huán)保節(jié)能已成為我國(guó)工業(yè)發(fā)展的前提條件與方向，這關(guān)系到我國(guó)整個(gè)經(jīng)濟(jì)體系的發(fā)展，同時(shí)也關(guān)系到企業(yè)的自身利益，是新時(shí)代企業(yè)應(yīng)該具備的基本素質(zhì)。