雙碳目標(biāo)下機(jī)采節(jié)能設(shè)備優(yōu)選與合理應(yīng)用研究

賈雪峰 薛國鋒（吉林油田公司）

隨著國家雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的確定，各企業(yè)積極響應(yīng)國家號(hào)召，主動(dòng)承擔(dān)社會(huì)責(zé)任。油田作為能源生產(chǎn)和消耗大戶，在保障國家能源安全的同時(shí)，積極規(guī)劃、主動(dòng)推進(jìn)、大力實(shí)施碳中和措施。目前碳中和措施主要包括節(jié)約能源、清潔替代、碳埋存和匯林工程，而四項(xiàng)措施的基礎(chǔ)是節(jié)約能源，節(jié)能是最大的減排。油田機(jī)采系統(tǒng)以耗電為主，占油田總耗電的60%以上，做好機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能工作，對(duì)于碳中和意義重大。機(jī)采節(jié)能設(shè)備種類繁多、原理各異、節(jié)能效果也存在差異。為優(yōu)選效果較好的節(jié)能設(shè)備、科學(xué)界定應(yīng)用環(huán)境、提高節(jié)能設(shè)備應(yīng)用效果，達(dá)到最大限度減排，開展了該項(xiàng)研究。

1 總體思路

機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能主要通過應(yīng)用節(jié)能設(shè)備、優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、提高設(shè)備運(yùn)行效率來實(shí)現(xiàn)[1]。油田機(jī)采系統(tǒng)常用的節(jié)能設(shè)備包括節(jié)能電動(dòng)機(jī)、配電箱、變頻器等[2]。針對(duì)油田現(xiàn)場實(shí)際，優(yōu)選了常用的15種設(shè)備，包括8種電動(dòng)機(jī)、5種配電箱、2種變頻器，應(yīng)用節(jié)能評(píng)價(jià)模擬井，對(duì)其進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)[1]。

評(píng)價(jià)節(jié)能設(shè)備，以普通異步電動(dòng)機(jī)和常規(guī)配電箱為對(duì)比基礎(chǔ)，通過應(yīng)用模擬井調(diào)整供電電壓、油壓、套壓、沖次等參數(shù)，測試安裝節(jié)能設(shè)備前后配電箱輸入端、電動(dòng)機(jī)輸入端電參數(shù)變化，對(duì)比各工況下設(shè)備的節(jié)能效果，給出評(píng)價(jià)結(jié)論。

2 評(píng)價(jià)方法

電動(dòng)機(jī)評(píng)價(jià)，選擇普通三相異步電動(dòng)機(jī)作為對(duì)比對(duì)象，其他電動(dòng)機(jī)以該電動(dòng)機(jī)作為參考，評(píng)價(jià)不同工作制度和工作環(huán)境下節(jié)能效果[3]。配電箱評(píng)價(jià)，選擇模擬井本身的常規(guī)電控作為對(duì)比對(duì)象，其他配電箱與其對(duì)比，評(píng)價(jià)不同配電箱的節(jié)能效果。變頻器評(píng)價(jià)，因?yàn)樽冾l器的主要作用是調(diào)參節(jié)能，主要評(píng)價(jià)變頻器的工作特性，以及對(duì)電網(wǎng)的影響情況，同時(shí)對(duì)比皮帶輪調(diào)參評(píng)價(jià)是否有節(jié)能效果。交叉評(píng)價(jià)，對(duì)每種設(shè)備單獨(dú)評(píng)價(jià)的同時(shí)，對(duì)可以交叉使用的設(shè)備，評(píng)價(jià)兩種設(shè)備共同應(yīng)用效果，了解設(shè)備的組合應(yīng)用可能性。

3 評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1 節(jié)能電動(dòng)機(jī)

3.1.1 同一工作制度下不同類型電動(dòng)機(jī)節(jié)能效果對(duì)比

應(yīng)用模擬井測試設(shè)備，在同一口油井，應(yīng)用不同的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行舉升拖動(dòng)，在工作環(huán)境不變的情況下，得出如下測試結(jié)果。對(duì)比普通異步電動(dòng)機(jī)，雙速電動(dòng)機(jī)不但沒有節(jié)能效果，耗能量還高于三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)，超高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)和稀土電動(dòng)機(jī)，在負(fù)載率20%以上的情況下，節(jié)能均達(dá)到10%以上，稀土電動(dòng)機(jī)節(jié)能效果好于超高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)，達(dá)到13.34%。通過優(yōu)選節(jié)能設(shè)備，可提高減碳量達(dá)到13%以上，同一工作制度下不同類型電動(dòng)機(jī)節(jié)能效果對(duì)比見表1。

表1 同一工作制度下不同類型電動(dòng)機(jī)節(jié)能效果對(duì)比

3.1.2 不同負(fù)載率下不同電動(dòng)機(jī)節(jié)能效果對(duì)比

油井工作參數(shù)包括沖程和沖次，常規(guī)四連桿抽油機(jī)，調(diào)整沖次相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)整沖次，可以模擬油井不同的工作制度，間接調(diào)整電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率，評(píng)價(jià)電動(dòng)機(jī)在不同功率利用率下節(jié)能效果。通過表2測試數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出。在同一工作制度下，與普通異步電動(dòng)機(jī)比較，除了雙速電動(dòng)機(jī)，其它電動(dòng)機(jī)均有節(jié)能效果，而且節(jié)能效果隨著負(fù)載率的降低出現(xiàn)規(guī)律性變化。

表2 不同負(fù)載率電動(dòng)機(jī)節(jié)能效果對(duì)比

其中雙速電動(dòng)機(jī)隨著負(fù)載率的降低能耗越來越高；超高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)隨著負(fù)載率的降低節(jié)能效果越來越差，負(fù)載率低于15%時(shí)，沒有節(jié)能效果；稀土電動(dòng)機(jī)隨著負(fù)載率的降低，節(jié)能效果越來越好，在評(píng)價(jià)的參數(shù)下，最高節(jié)能達(dá)到16.88%。

3.1.3 同一電動(dòng)機(jī)不同裝機(jī)功率能耗對(duì)比

通過應(yīng)用模擬井測試，對(duì)比同一工作制度下，不同裝機(jī)功率高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)能耗情況，超高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)節(jié)能效果對(duì)比見表3。根據(jù)測試數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)同一口井，裝機(jī)功率越低的油井能耗越低，說明合理選擇裝機(jī)功率可以有效提高功率因數(shù)，降低能耗。減碳幅度可以達(dá)到6%以上。

表3 超高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)節(jié)能效果對(duì)比

3.1.4 工作電壓對(duì)稀土電動(dòng)機(jī)影響評(píng)價(jià)

稀土電動(dòng)機(jī)是節(jié)能效果較好的電動(dòng)機(jī)，但是也有一定的應(yīng)用環(huán)境限制，比如電壓對(duì)稀土電動(dòng)機(jī)影響較大，在額定電壓附近功率因數(shù)最高能耗最小，功率因數(shù)可以達(dá)到0.95以上。工作環(huán)境電壓偏離額定電壓，功率因數(shù)變小，能耗增加。因此應(yīng)用稀土電動(dòng)機(jī)，一定注意保證其盡量工作在額定電壓工況下。合理應(yīng)用環(huán)境可以提高減碳效果達(dá)到7%，稀土電動(dòng)機(jī)評(píng)價(jià)見表4。

表4 稀土電動(dòng)機(jī)評(píng)價(jià)

3.2 節(jié)能控制裝置

由于機(jī)采系統(tǒng)舉升設(shè)計(jì)，充分考慮油井的各種工況和不同的舉升階段，油井開采初期產(chǎn)量較高，因此設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率較大。隨著油田開發(fā)進(jìn)入中后期，部分油井出現(xiàn)產(chǎn)量下降，導(dǎo)致出現(xiàn)“大馬拉小車”問題。合理降低電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，在不改變電動(dòng)機(jī)的情況下，也可以通過“角星轉(zhuǎn)換”變頻器的方式來降低能耗。但是每種節(jié)能控制裝置都有合理的應(yīng)用環(huán)境，科學(xué)評(píng)價(jià)、合理應(yīng)用節(jié)能控制裝置，可以有效提高節(jié)能效果[4-5]。

3.2.1 星角轉(zhuǎn)換型

通過測試評(píng)價(jià)，星角轉(zhuǎn)換裝置具有一定節(jié)能效果，但是也有一定的應(yīng)用環(huán)境限制，對(duì)于負(fù)荷率較高的油井，不具有節(jié)能效果，合理優(yōu)選“大馬拉小車”的油井，可以實(shí)現(xiàn)減碳4%以上。同時(shí)電壓的變化也影響控制效果，由于大部分油井都是一臺(tái)變壓器帶多臺(tái)抽油機(jī)，對(duì)于供電半徑較大的油井，由于線路壓降原因，導(dǎo)致末端電壓降低，節(jié)能效果也隨之變差，因此電壓是影響減碳效果的較為敏感的因素，星角轉(zhuǎn)換節(jié)能效果對(duì)比見表5。

表5 星角轉(zhuǎn)換節(jié)能效果對(duì)比

3.2.2 變頻器

變頻器是通過改變頻率的方式控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)調(diào)整抽油機(jī)沖次實(shí)現(xiàn)節(jié)能。主要通過對(duì)比測試皮帶輪和變頻器調(diào)整到同樣工作制度下的能耗情況，分析兩者能耗差異；測試變頻器輸入端、電動(dòng)機(jī)輸入端能耗，評(píng)價(jià)變頻器自身能耗；通過調(diào)整供電電壓，測試變頻器在不同工作環(huán)境下的節(jié)能效果差異。

通過對(duì)表6測試數(shù)據(jù)分析，用皮帶輪和變頻器調(diào)參，在達(dá)到同樣沖次情況下，皮帶輪調(diào)參能耗低于變頻器調(diào)參能耗，說明變頻器自身有能耗；在保證頻率不變的情況下，調(diào)整供電電壓，電壓越低能耗越小，變頻器自身能耗基本保持不變[6]。

表6 變頻器評(píng)價(jià)效果

4 節(jié)能效果對(duì)減碳的影響

在“雙碳”目標(biāo)下，“開源節(jié)流”是關(guān)鍵，“開源”是從源頭控制，在機(jī)采系統(tǒng)舉升設(shè)計(jì)中，采用清潔能源作為舉升動(dòng)力，比如太陽能、風(fēng)能，可以實(shí)現(xiàn)零碳排放，但是由于目前技術(shù)的成熟度、經(jīng)濟(jì)性等問題，無法大面積推廣應(yīng)用?！肮?jié)流”就是通過提高設(shè)備運(yùn)行效率，提高節(jié)能效果，實(shí)現(xiàn)減碳。對(duì)于新投產(chǎn)的油井，在方案設(shè)計(jì)過程中，通過優(yōu)選節(jié)能舉升方式、應(yīng)用高效設(shè)備實(shí)現(xiàn)源頭控制減碳；對(duì)于老井，可以通過優(yōu)化工作制度、應(yīng)用節(jié)能改造設(shè)備，合理降低油井能耗，實(shí)現(xiàn)減碳。

以機(jī)采系統(tǒng)耗電量每年70000×108kWh，通過加強(qiáng)管理、優(yōu)化運(yùn)行、合理應(yīng)用節(jié)能設(shè)備等措施，按節(jié)能5%計(jì)算，節(jié)能量可以達(dá)到3500×106kWh，減碳規(guī)?？梢赃_(dá)到27191t/a。相當(dāng)于約9000輛2.0L排量汽車行駛1萬公里碳排放量[7]。

5 結(jié)論

合理應(yīng)用機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能設(shè)備，科學(xué)確定應(yīng)用環(huán)境，可以有效提高設(shè)備節(jié)能效果，達(dá)到最大限度的減少碳排放，從源頭控制碳排放規(guī)模，助力國家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

通過本次評(píng)價(jià)，機(jī)采節(jié)能設(shè)備應(yīng)用過程中，以下幾方面結(jié)論可以借鑒：

1）雙速電動(dòng)機(jī)是非節(jié)能電動(dòng)機(jī)，同工況下其耗電量高于普通異步電動(dòng)機(jī)，除非有特殊的需求，盡量避免應(yīng)用雙速電動(dòng)機(jī)。

2）稀土電動(dòng)機(jī)節(jié)能效果明顯，但應(yīng)該注意應(yīng)用環(huán)境，對(duì)于電壓不穩(wěn)定的區(qū)塊和油井不適合應(yīng)用稀土電動(dòng)機(jī)；同時(shí)稀土電動(dòng)機(jī)的節(jié)能效果與負(fù)載率有關(guān)，電動(dòng)機(jī)負(fù)載率越小節(jié)能效果越好；稀土電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)高，整條線路改造，既可以節(jié)能，同時(shí)還可以降低網(wǎng)損，效果更為明顯。

3）高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)合理應(yīng)用有節(jié)能效果，其節(jié)能效果隨電動(dòng)機(jī)負(fù)載率的降低，節(jié)能效果變差，達(dá)到15%以下，基本沒有節(jié)能效果；由于轉(zhuǎn)差率高，特性軟，該電動(dòng)機(jī)還有減少桿管磨損，提高免修器等作用。

4）節(jié)能配電箱主要解決的是“大馬拉小車”問題，如果電動(dòng)機(jī)負(fù)載率比較高，那么節(jié)能配電箱的基本沒有節(jié)能效果。

5）變頻器在調(diào)參的情況下有節(jié)能效果，主要是由于降低工作制度的原因，變頻器本身也有耗電，因此，如果能夠用皮帶輪調(diào)參，盡量不要采用變頻調(diào)參[8]。