相陽(yáng)（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

機(jī)采井電量計(jì)量方法及措施探討

相陽(yáng)（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

機(jī)采井電量計(jì)量能為掌握油田電力消耗提供重要的依據(jù)，在降低電能損耗方面具有重要作用。目前機(jī)采系統(tǒng)一直缺乏可行的電量計(jì)量方法和有效手段，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電量的有效計(jì)量。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)采井用能設(shè)備特點(diǎn)提出電力計(jì)量措施和改造方法，并對(duì)多種計(jì)量方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)分析機(jī)采系統(tǒng)主要用能環(huán)節(jié)及用能設(shè)備，提出單井計(jì)量、數(shù)字化管理的方法。通過(guò)進(jìn)行終端用能設(shè)備改造、電力計(jì)量?jī)x表的選取實(shí)現(xiàn)單井電量計(jì)量與系統(tǒng)電量計(jì)量的統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)機(jī)采系統(tǒng)電量的準(zhǔn)確、有效計(jì)量。

機(jī)采井；有功功率；變頻；電量計(jì)量

目前，地面系統(tǒng)已基本實(shí)現(xiàn)電量的有效計(jì)量，而機(jī)采系統(tǒng)由于存在油井點(diǎn)多、線路與用電設(shè)備繁復(fù)的影響，目前仍未實(shí)現(xiàn)電量的有效計(jì)量，影響能耗統(tǒng)計(jì)與節(jié)能措施開(kāi)展。因此，選取有效計(jì)算方法、選擇合適的計(jì)量?jī)x表以及采取有效實(shí)用的電器設(shè)備計(jì)量改造方式對(duì)于機(jī)采系統(tǒng)的電量計(jì)量及節(jié)能降耗至關(guān)重要。

1 電量計(jì)量方法

常規(guī)的電量計(jì)量方法包括模擬計(jì)算、瞬態(tài)測(cè)試以及電能表累計(jì)計(jì)量的方式。

1.1 模擬計(jì)算

在沒(méi)有條件進(jìn)行準(zhǔn)確功率測(cè)試時(shí)，一般在用電設(shè)備處于工頻的狀態(tài)下均采取用單井實(shí)測(cè)電壓、電流或功率因數(shù)按下式計(jì)算：

式中：P1——電動(dòng)機(jī)輸入功率，kW；

U入——輸入電壓，V；

I入——輸入電流，A；

cosφ——功率因數(shù)。

在不具備功率因數(shù)測(cè)試條件下，其中抽油機(jī)井功率因數(shù)按0.35?。ǔＲ?guī)三相異步電動(dòng)機(jī)），電泵井一般按0.8固定值計(jì)算，螺桿泵井功率因數(shù)按0.35取。

1.2 瞬態(tài)測(cè)試計(jì)量

目前測(cè)試油井能耗參數(shù)的主要方法是采用電參測(cè)試儀器直接測(cè)試，包括電流、電壓、功率因數(shù)等，并依據(jù)結(jié)果計(jì)算有功功率和無(wú)功功率。標(biāo)準(zhǔn)儀器一般以日置3169及FLUKE433電能質(zhì)量分析儀進(jìn)行比對(duì)。

該計(jì)量方法能保證測(cè)試準(zhǔn)確度，但用于累計(jì)計(jì)量電量，則存在以下不足：一是必須準(zhǔn)確掌握油井生產(chǎn)時(shí)率情況；二是由于計(jì)量具有實(shí)效性，考慮到油井生產(chǎn)水平變化引起的能耗水平變化，用于累計(jì)計(jì)量則存在較大誤差；三是測(cè)試計(jì)量工作量大，存在種種不確定性。

1.3 電表累計(jì)計(jì)量

可采用有功電度表進(jìn)行累計(jì)電量的計(jì)量。目前主要包括數(shù)字式以及電子式電能表，分別可進(jìn)行單相和三相電的計(jì)量。

2 電量計(jì)量措施

喇嘛甸油田機(jī)采井供電系統(tǒng)多采用一井單變或一井多變的方式，但是電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)都采用單井單控的方式，目前的各種電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)大多沒(méi)有單井電量計(jì)量?jī)x表。通過(guò)對(duì)喇嘛甸油田機(jī)采系統(tǒng)用電狀況和設(shè)備進(jìn)行分析，可采取以下措施進(jìn)行機(jī)采井電量的單井計(jì)量。

2.1 抽油機(jī)井電量計(jì)量

由于抽油機(jī)負(fù)荷屬周期性脈動(dòng)，并常伴有瞬時(shí)負(fù)功率，其輸入功率往往難以準(zhǔn)確測(cè)量。因此去除采取傳統(tǒng)人力進(jìn)行單井瞬態(tài)測(cè)試計(jì)量方法外，抽油機(jī)井電量的有效計(jì)量主要在于選取合適的電能表。

圖1 實(shí)測(cè)抽油機(jī)電平衡曲線圖

抽油機(jī)井倒發(fā)電對(duì)機(jī)械電能表計(jì)量誤差有較大影響。如圖1所示，該井在1個(gè)沖程周期內(nèi)，出現(xiàn)負(fù)功和負(fù)功率因數(shù)情況，影響油井能耗的準(zhǔn)確計(jì)量。目前電能表對(duì)于負(fù)功的處理基本分為三種方式，即按正值、負(fù)值疊加或按零值不計(jì)入。因此，傳統(tǒng)機(jī)械式電能表無(wú)法對(duì)抽油機(jī)井進(jìn)行準(zhǔn)確的有效計(jì)量。

針對(duì)抽油機(jī)井傳統(tǒng)控制柜可采用模塊化電能表進(jìn)行改造，一般應(yīng)具有如下特點(diǎn)：可測(cè)量并顯示所需電參數(shù)：三相電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、頻率及有功無(wú)功電能；采取電壓信號(hào)供電，無(wú)需供電電源；具有電能脈沖輸出功能；針對(duì)目前控制柜的模塊化設(shè)計(jì)，可采用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝方式（35mm或DIN導(dǎo)軌卡裝）；選取RS-485或RS-232通訊方式，今后數(shù)字化傳輸改造可直接接入。喇嘛甸油田目前大部分井電控裝置均為模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)需要在輸入端或輸出端采取直接接入的方式安裝單相或三相電子式導(dǎo)軌電能表[1]。

2.2 電泵井電量計(jì)量

電泵井接入電壓較高，一般電動(dòng)機(jī)電壓在540～2100V之間，因此，常規(guī)測(cè)試儀無(wú)法有效計(jì)量，同時(shí)高電壓測(cè)量存在安全隱患。目前電泵井電量計(jì)量可采取以下方法：按比例測(cè)量、對(duì)比計(jì)算；需要選擇帶有隔離互感器和分壓功能的電能表，同時(shí)進(jìn)行安全隔離和高壓分壓，在保證設(shè)備儀表及人工測(cè)試安全的前提下采用現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量[2]。

鑒于此種情況，電泵井實(shí)測(cè)電量一般可按下式計(jì)算：

式中：P實(shí)測(cè)——有功功率，kW；

I——電流，I；

U——電壓，V；

cosφ——功率因數(shù)。

按此計(jì)算，考慮電纜線損，計(jì)算能耗與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量較為一致（表1）。

表1 6口電泵井電動(dòng)機(jī)參數(shù)及電量計(jì)算

2.3 變頻器計(jì)量方法

目前喇嘛甸油田的抽油機(jī)井、螺桿泵井以及電泵井已廣泛應(yīng)用變頻控制器，采用變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)具有節(jié)能效果明顯、調(diào)節(jié)方便、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但是裝有變頻的油井電量測(cè)量給計(jì)量帶來(lái)較大問(wèn)題。

變頻電量計(jì)量與傳統(tǒng)的工頻電能計(jì)量有很大的區(qū)別，主要問(wèn)題如下：變頻器逆變部分多為三相橋式逆變器，其輸出為非正弦波，一般為PWM波（脈沖寬度調(diào)制），常規(guī)儀表采用的測(cè)試計(jì)算方法不適用，測(cè)試計(jì)量誤差很大；變頻環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生高次諧波，常規(guī)儀表會(huì)因?yàn)楦叽沃C波引起誤差，降低精度，甚至燒毀線圈，因此要求儀表必須具有較寬的測(cè)試帶寬；目前國(guó)內(nèi)外在電力測(cè)量中采用的通用算法是同步交流采樣法，該算法要求被測(cè)信號(hào)的周期與采樣周期保持整數(shù)倍即同步采樣，否則會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。但是由于同步采樣法是在頻率基本穩(wěn)定的基礎(chǔ)上進(jìn)行，因此在頻率經(jīng)常發(fā)生大范圍偏移并且頻率還不穩(wěn)定的變頻環(huán)境下，應(yīng)用同步跟蹤算法會(huì)有很大的測(cè)量誤差。

目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的變頻電量計(jì)量方法為：以福祿克高精度功率標(biāo)準(zhǔn)源(以6100A/B，1010V、80A、16～850Hz為代表)、高精度功率分析儀（FLUKEnorma5000、WT3000）為標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行變頻和工頻電量的計(jì)量。

因此，在涉及使用變頻設(shè)備的油井電量測(cè)試設(shè)備選擇時(shí)，應(yīng)盡量選取非同步采樣算法的儀表。必須要求在低功率因數(shù)、寬頻變化、高次諧波條件下具有測(cè)量精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好等性能。

此外，在變頻輸出端，由于輸出電能具有非正弦波、頻率變化范圍大，一般儀表無(wú)法在輸出端進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，可選在變頻輸入端安裝采集電能表，可確保計(jì)量的準(zhǔn)確性。

2.4 數(shù)字化改造措施

目前，電量計(jì)量?jī)x表可供選擇范圍較大，按照下一步建設(shè)數(shù)字化油田的要求，機(jī)采井的電量計(jì)量應(yīng)向數(shù)字化、可監(jiān)控方向發(fā)展。因此，在計(jì)量?jī)x表的選擇上，應(yīng)重點(diǎn)選擇具備模塊化、網(wǎng)絡(luò)化功能的儀表，要具備以下功能：可實(shí)時(shí)采集，利用終端控制對(duì)參數(shù)進(jìn)行采集并遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸；具有數(shù)據(jù)處理功能，即在顯示的同時(shí)，可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、報(bào)表及打印、網(wǎng)頁(yè)發(fā)布功能；具備遠(yuǎn)程調(diào)控功能，可按權(quán)限進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及運(yùn)行調(diào)度的網(wǎng)絡(luò)化管理，從而提高油井節(jié)能降耗的管理水平。

3 結(jié)論

1）通過(guò)進(jìn)行終端用能設(shè)備改造、選取合適電力計(jì)量?jī)x表，可以實(shí)現(xiàn)單井電量計(jì)量與系統(tǒng)電量計(jì)量的統(tǒng)一，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)采系統(tǒng)電量的準(zhǔn)確、有效計(jì)量。

2）在使用變頻設(shè)備的油井進(jìn)行電量計(jì)量時(shí)，應(yīng)在輸入端安裝非同步采樣算法的儀表，從而確保計(jì)量的準(zhǔn)確度。

3）在抽油機(jī)井電量計(jì)量時(shí)，應(yīng)考慮負(fù)功計(jì)量算法的影響，應(yīng)選取正向、反向有功及無(wú)功分開(kāi)計(jì)量的電能表。

[1]薄保中.抽油機(jī)負(fù)功與電機(jī)功率測(cè)試儀表的合理選擇[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2000（2）：1-3.

[2]劉孝磁.潛油電泵井能耗預(yù)測(cè)方法[J].特種油氣藏，2008，15（6）：85-88.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.09.017

相陽(yáng)，工程師，1996年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院（石油工程專業(yè)），從事抽油機(jī)井節(jié)能技術(shù)研究工作，E-mail：dqxiangyang@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市第六采油廠工程技術(shù)大隊(duì)，163114。

2017-05-12

（編輯沙力妮）