朱益飛（勝利油田孤東采油廠）

勝利油田孤東采油廠機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能改造

朱益飛（勝利油田孤東采油廠）

針對勝利油田孤東采油廠機(jī)采系統(tǒng)存在部分變壓器容量大、負(fù)荷不匹配、能耗高、沒有自動(dòng)調(diào)壓功能、以及油井電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)扭矩小、功率大、效率低、功率因數(shù)低等問題，文章提出了采用油井永磁同步電動(dòng)機(jī)+無功智能自動(dòng)補(bǔ)償控制箱+自動(dòng)調(diào)壓變壓器的節(jié)能技術(shù)改造方案，介紹了三項(xiàng)節(jié)能技術(shù)的特點(diǎn)、節(jié)能技術(shù)改造實(shí)施情況以及實(shí)施效果的綜合評價(jià)，為油田開展機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能改造和節(jié)能降耗工作提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。

機(jī)采系統(tǒng) 節(jié)能 改造 效益 分析

勝利油田孤東采油廠現(xiàn)有油井2 829口，開井20 85口，年產(chǎn)原油260×104t，全廠年總耗電量4.75×108kWh，其中油井耗電占采油廠總耗能的40.3%。目前抽油機(jī)井拖動(dòng)系統(tǒng)主要由變壓器（大容量變壓器為主）+電容自動(dòng)補(bǔ)償控制柜+三相異步電動(dòng)機(jī)等設(shè)備組成，存在著在用變壓器容量大、型號舊、變壓器容量不匹配節(jié)能效果差、功率因數(shù)低、電動(dòng)機(jī)功率大等問題，導(dǎo)致系統(tǒng)效率較低、耗能較高，不符合國家關(guān)于“建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)”的國策［1］。近幾年，隨著油田永磁同步電動(dòng)機(jī)在抽油機(jī)上的大量推廣應(yīng)用，由于永磁同步電動(dòng)機(jī)對電壓有一定的要求，而現(xiàn)場電壓變化幅度較大，且在用變壓器沒有自動(dòng)調(diào)壓功能，從而造成永磁同步電動(dòng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用效果耗能差異較大，使永磁同步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能優(yōu)勢沒有得到充分發(fā)揮，機(jī)采系統(tǒng)仍然存在著巨大的節(jié)能潛力。為此，我們提出勝利油田孤東采油廠機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能改造這一重要研究課題，在保證孤東油田油井的正常生產(chǎn)前提下，實(shí)施對抽油機(jī)油井用電設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化配套，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1 抽油機(jī)油井用電設(shè)備現(xiàn)狀調(diào)查

據(jù)統(tǒng)計(jì)，勝利油田孤東采油廠機(jī)械采油系統(tǒng)現(xiàn)有在用變壓器1 271臺、容量139 869 kVA，平均容量110 kVA。其中節(jié)能型變壓器683臺、容量41 560 kVA，平均容量61 kVA，主要是一拖一或一拖二的方式，容量相對匹配；高耗能變壓器588臺（其中S7型442臺、SL7型129臺、其它J9、SS、SSN型等17臺），容量98 309 kVA，平均容量167 kVA，主要是一拖多的方式，容量匹配較差。

采油廠機(jī)械采油系統(tǒng)共有在用自控箱2 058臺，其中使用時(shí)間8年以上的有384臺，占18.6%。調(diào)查在用自控箱具備節(jié)電功能的只有1 126臺，占總數(shù)的54.7%，其它932臺自控箱都是非節(jié)電普通自控箱。

采油廠機(jī)械采油系統(tǒng)共有在用電動(dòng)機(jī)2 058臺，平均裝機(jī)功率30.2 kW，平均日耗電236 kWh，其中三相異步電動(dòng)機(jī)1 505臺，平均裝機(jī)功率30.3 kW，平均日耗電244 kWh；永磁同步電動(dòng)機(jī)263臺，平均裝機(jī)功率28.3 kW，平均日耗電177 kWh；電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)127臺，平均裝機(jī)功率33.7 kW，平均日耗電268 kWh；其他電動(dòng)機(jī)163臺，平均裝機(jī)功率29.4 kW，平均日耗電238 kWh。

2 存在的主要問題

經(jīng)過對全廠機(jī)采系統(tǒng)用電設(shè)備現(xiàn)狀的調(diào)查分析，我們發(fā)現(xiàn)主要存在以下幾個(gè)問題：

1）部分在用變壓器屬于淘汰型號，能耗較高。

目前勝利油田孤東采油廠仍有高耗能變壓器588臺，其中S7型442臺、SL7型129臺、其它J9、SS、SSN型等17臺，均屬于淘汰型號，每年多耗電313×108kWh以上。

2）部分在用變壓器容量大，用電負(fù)荷不匹配，造成容量浪費(fèi)。

目前勝利油田孤東采油廠在用變壓器主要采用一帶多井的方式，主要是高能耗變壓器容量較大，不僅容量與用電負(fù)荷難以匹配，導(dǎo)致容量浪費(fèi)，而且使低壓線路變長，損耗大。

3）在用變壓器沒有自動(dòng)調(diào)壓功能，部分永磁電動(dòng)機(jī)不能發(fā)揮節(jié)電作用。

永磁同步電動(dòng)機(jī)對電壓有一定的要求，反電勢一般要高于額定電壓的2.5%～3.5%，現(xiàn)場電壓由于變化幅度較大，一般很難滿足需要，使其節(jié)能效果不能充分發(fā)揮。

4）在用三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)扭矩小、功率大、效率低。

由于三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，所帶動(dòng)的抽油機(jī)為交變沖擊載荷，特別是抽油機(jī)啟動(dòng)時(shí)需要較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使抽油機(jī)配備的電動(dòng)機(jī)功率較大，平均裝機(jī)功率30.2 kW，正常運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率較小，僅有，與85%的最佳負(fù)載率差距較大，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)效率降低。

5）部分在用自控箱沒有電容自動(dòng)補(bǔ)償功能，使電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)較低，無功耗電增加。

目前，采油廠仍有932臺自控箱是非節(jié)電普通自控箱，再加上電動(dòng)機(jī)負(fù)載率較小，導(dǎo)致功率因數(shù)低，無功耗電增加。采油廠抽油機(jī)油井平均功率因數(shù)為0.71，配備普通自控箱的油井平均功率因數(shù)只有0.49。

3 節(jié)能改造方案

針對抽油機(jī)油井用電設(shè)備存在的主要問題，通過對目前國內(nèi)節(jié)能新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝的調(diào)研，抽油機(jī)油井用電設(shè)備采用具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、效率高、無功智能自動(dòng)補(bǔ)償和電壓自動(dòng)調(diào)整的方式進(jìn)行優(yōu)化配套，可以達(dá)到降低變壓器容量、降低電動(dòng)機(jī)功率、提高功率因數(shù)的目的，最終達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。為此，有針對性地提出了孤東采油廠機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造方案，即采用油井永磁同步電動(dòng)機(jī)+無功智能自動(dòng)補(bǔ)償控制箱+自動(dòng)調(diào)壓變壓器的節(jié)能技術(shù)改造方案，主要是對目前因變壓器容量不匹配、電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)較低、日耗電較高的抽油機(jī)油井用電設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，計(jì)劃改造90口油井，單井配套費(fèi)用5.3×104元，其中永磁同步電動(dòng)機(jī)2.3×104元，無功智能自動(dòng)補(bǔ)償自控箱0.9×104元，自動(dòng)調(diào)壓變壓器2.1×104元，共需節(jié)能技術(shù)改造資金477×104元。

4 三項(xiàng)節(jié)能技術(shù)的特點(diǎn)

現(xiàn)將永磁同步電動(dòng)機(jī)、無功智能自動(dòng)補(bǔ)償控制箱和自動(dòng)調(diào)壓變壓器三項(xiàng)節(jié)能技術(shù)的特點(diǎn)作介紹如下：

1）永磁同步電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)：永磁同步電動(dòng)機(jī)具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、效率高的特點(diǎn)。永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)≥3.4，比普通Y系列電動(dòng)機(jī)高1.4倍以上，可解決因抽油機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷大而配備大功率電動(dòng)機(jī)、變壓器的問題，提高電動(dòng)機(jī)效率，減少自耗電。抽油機(jī)上所用的永磁同步電動(dòng)機(jī)是一種異步啟動(dòng)的同步電動(dòng)機(jī)，由轉(zhuǎn)子交流啟動(dòng)后牽入同步運(yùn)行，類似于交流同步電動(dòng)機(jī)。其運(yùn)行是靠定子線圈在氣隙中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子上磁鋼間的相互吸引，使轉(zhuǎn)子與定子氣隙磁場同步旋轉(zhuǎn)而做功。其轉(zhuǎn)子等效為電阻電路，故功率因數(shù)高。因無勵(lì)磁電流，其空載損耗小。電動(dòng)機(jī)效率可達(dá)96%左右，較三相異步電動(dòng)機(jī)高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，永磁同步電動(dòng)機(jī)節(jié)電率在25%以上[2]。

2）無功智能自動(dòng)補(bǔ)償控制箱的主要特點(diǎn)：該電控柜采用智能保護(hù)，對運(yùn)行電流具有LED數(shù)顯、故障顯示、故障記憶功能，對電動(dòng)機(jī)負(fù)載具有缺相、堵轉(zhuǎn)、短路故障實(shí)現(xiàn)瞬動(dòng)保護(hù)，過流故障實(shí)現(xiàn)反時(shí)限特性延時(shí)保護(hù)功能。該項(xiàng)技術(shù)采用無功補(bǔ)償自動(dòng)投切切換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無功功率動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，具有設(shè)備功率因數(shù)顯示、無功功率全自動(dòng)大范圍調(diào)整等特殊功能，可自動(dòng)適應(yīng)井況和電動(dòng)機(jī)設(shè)備的變化，將電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)提高到0.9以上，大幅度減少無功損耗，具有較高的綜合節(jié)電率[2-3]。

3）自動(dòng)調(diào)壓變壓器的特點(diǎn)：自動(dòng)調(diào)壓變壓器具有多檔自動(dòng)調(diào)壓功能，一是可以調(diào)整永磁電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電壓位于反電勢點(diǎn)。二是電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和運(yùn)行時(shí)可自動(dòng)調(diào)整變壓器二次電壓，使輸出電壓穩(wěn)定在電動(dòng)機(jī)的額定電壓等級以內(nèi)，從而縮小變壓器容量等級。單井變壓器容量配置可與電動(dòng)機(jī)容量相同配置，即可滿足生產(chǎn)需要，現(xiàn)用油井其他配置變壓器必須大于電動(dòng)機(jī)容量的25%，否則，將無法啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。采用自動(dòng)調(diào)壓變壓器替代目前在用系列變壓器，空載損耗可下降37%～40%，短路損耗下降25%～45%。目前在用的節(jié)能型S9、S11型系列變壓器不能自動(dòng)調(diào)整二次電壓，無法滿足永磁電動(dòng)機(jī)電壓調(diào)整需要，造成部分永磁電動(dòng)機(jī)無法調(diào)到合理電壓范圍，達(dá)到最大輸出功率長時(shí)間過載運(yùn)行導(dǎo)致功率因數(shù)低失磁，造成使用壽命減少。

表1 90口油井節(jié)能技術(shù)改造前后對比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

5 技術(shù)改造實(shí)施情況

2009年11月，在前期開展先導(dǎo)性應(yīng)用試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，立項(xiàng)實(shí)施對90口油井進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，在現(xiàn)場進(jìn)行了每口油井節(jié)能技術(shù)改造前后儀器測試數(shù)據(jù)和井口電能表計(jì)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對比，節(jié)能技術(shù)改造結(jié)果見表1。

由表1可以看出，90口油井節(jié)能技術(shù)改造后油井平均系統(tǒng)效率大幅度提高，平均系統(tǒng)效率由改造前的30.97%提高到改造后的40.53%，前后對比提高了9.56%，其相對值提高了30.87%。平均噸液耗電由3.20 kWh下降到2.13 kWh，下降了1.07kWh。

6 實(shí)施效果綜合評價(jià)

通過對因變壓器容量不匹配、電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)較低、日耗電較高的抽油機(jī)油井用電設(shè)備進(jìn)行改造，能夠達(dá)到提高油井系統(tǒng)效率、降低油井耗電、減少油井故障停井次數(shù)，逐步淘汰高耗能用電設(shè)備，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1）節(jié)能效益顯著。改造后平均單井日節(jié)電82.7 kWh；油井采油時(shí)率按90%進(jìn)行計(jì)算，則90口油井年產(chǎn)生直接節(jié)電效益為90×365×82.7×0.9=244.50255×104kWh；電價(jià)按0.568元/kWh計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)為244.50255×104×0.568=138.8774×104元。

2）變壓器減容效益。根據(jù)自動(dòng)調(diào)壓變壓器的特點(diǎn)，單井變壓器容量可減少35 kVA，容量費(fèi)按每kVA每月11元計(jì)算，則90臺變壓器年可節(jié)約容量減少費(fèi)為90×35×11×12=41.5800×104元。

3）提高油井功率因數(shù)，減少了無功耗損。根據(jù)無功智能自動(dòng)補(bǔ)償自控箱的特點(diǎn)，通過自動(dòng)補(bǔ)償功油井平均功率因數(shù)由原來的0.501提高到0.946，提高了0.445，大大地降低了無功損耗，提高了電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)測算，平均單井日減少無功耗電（電網(wǎng)線路損耗）10 kWh；油井采油時(shí)率按90%進(jìn)行計(jì)算，則90口油井年產(chǎn)生直接節(jié)電效益為90×365×10×0.9=295 650 kWh；電價(jià)按0.568元/kWh計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)為295 650×0.568=16.792 9×104元。

4）具有良好的投資回報(bào)率。以上3項(xiàng)效益合計(jì)年直接改造效益為197.25032×104元。

該項(xiàng)目總投資為470×104元，則節(jié)能技術(shù)改造項(xiàng)目的投資回收期為2.4年。

5）提高了油井系統(tǒng)效率。改造后，油井平均系統(tǒng)效率大幅度提高，由改造前的30.97%提高到改造后的40.53%，前后對比提高了9.56%，其相對值提高了30.87%，系統(tǒng)完全能適應(yīng)油井帶負(fù)荷啟動(dòng)和交變載荷運(yùn)行要求，功率配置優(yōu)化合理，抽油機(jī)井系統(tǒng)效率提高明顯。

7 結(jié)束語

提高油田機(jī)采系統(tǒng)效率，優(yōu)化生產(chǎn)配置，降低能耗是油田一項(xiàng)長期而復(fù)雜的工作。孤東油田機(jī)采系統(tǒng)開展節(jié)能技術(shù)改造的事實(shí)證明，加強(qiáng)技術(shù)調(diào)研和分析，摸清沖速、產(chǎn)液量變化規(guī)律，掌握油井光桿實(shí)用功率、油性、原油含水等變化趨勢，從影響油井系統(tǒng)效率提高的諸因素入手，依靠科技進(jìn)步，進(jìn)一步完善油田地面配套系統(tǒng)，不斷開展節(jié)能新技術(shù)的試驗(yàn)研究和應(yīng)用，積極引進(jìn)應(yīng)用系統(tǒng)的節(jié)能新技術(shù)和新工藝，大力推廣應(yīng)用節(jié)能新產(chǎn)品和新材料，加大節(jié)能資金投入，做好項(xiàng)目運(yùn)行管理，定能收到較好的節(jié)能技改效果。

［1］朱益飛.勝利油田孤東采油廠低沖速稠油井的節(jié)能改造［J］.電力需求側(cè)管理,2007,9(5)：40-42.

［2］朱益飛，石曉明，馬冬梅.提高孤東油田機(jī)采系統(tǒng)效率的途徑［J］.電力需求側(cè)管理,2009,11(4)：46-48.

［3］朱益飛.利用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)勝利油田的節(jié)能改造［J］.電力需求側(cè)管理,2009,11(2)：42-44.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.09.018

朱益飛，1989年畢業(yè)于華東石油學(xué)院，高級工程師，從事油田計(jì)量與節(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：山東省東營市河口區(qū)仙河鎮(zhèn)勝利油田孤東采油廠技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督站，257237。

2011-08-18)