朱益飛(勝利油田孤東采油廠)
孤東油田北一西線油井地面系統(tǒng)耗能節(jié)點(diǎn)分析及對(duì)策
朱益飛(勝利油田孤東采油廠)
提高機(jī)采系統(tǒng)效率,提高機(jī)采系統(tǒng)的用能水平,降低機(jī)采系統(tǒng)能耗,是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)。以孤東油田北一西線及其油井為例,運(yùn)用系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分析方法,對(duì)地面系統(tǒng)耗能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐一分析,介紹北一西線油井節(jié)點(diǎn)測(cè)試分析設(shè)置和測(cè)試分析,探索研究各節(jié)點(diǎn)的能源損失現(xiàn)狀,提出節(jié)能技術(shù)改造對(duì)策措施,分析了節(jié)能改造實(shí)施后的經(jīng)濟(jì)效益和效果。
孤東油田 機(jī)采系統(tǒng) 節(jié)點(diǎn)分析 技術(shù)改造
D O I:10.3969/j.i ssn.2095-1493.2011.05.013
目前,節(jié)能降耗已成為全社會(huì)的一項(xiàng)重要工作,油田企業(yè)既是產(chǎn)能大戶,也是耗能大戶。開(kāi)展節(jié)能降耗是油田企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的一項(xiàng)重要工作[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),油田機(jī)采系統(tǒng)是油田生產(chǎn)的用能大戶,其總能耗量約占油田開(kāi)發(fā)總能耗的40%,而我國(guó)油田平均機(jī)采系統(tǒng)效率在30%左右,油田機(jī)采系統(tǒng)仍存在著巨大的節(jié)能潛力。提高機(jī)采系統(tǒng)效率,提高機(jī)采系統(tǒng)的用能水平,降低機(jī)采系統(tǒng)能耗,是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)[2]。為此,我們提出了開(kāi)展機(jī)采系統(tǒng)油井地面系統(tǒng)能耗節(jié)點(diǎn)分析及對(duì)策研究這一重要課題。以孤東油田北一西線及其油井為例,運(yùn)用系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分析方法,找出影響機(jī)采系統(tǒng)效率提高關(guān)鍵環(huán)節(jié),形成機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造的成套技術(shù),對(duì)地面系統(tǒng)耗能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐一分析,探究各節(jié)點(diǎn)的能源損失現(xiàn)狀,找出主要矛盾,制定有效對(duì)策,從而達(dá)到機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能降耗的目的。
為全面分析機(jī)采地面系統(tǒng)耗能狀況,將機(jī)采地面設(shè)備分成兩個(gè)子系統(tǒng),即供配電子系統(tǒng)和油井地面設(shè)備子系統(tǒng)。
供配電子系統(tǒng)涵蓋范圍為自變電所出口高壓線路,經(jīng)變壓器到油井控制箱線路輸入端。設(shè)變電所出口、變壓器高壓側(cè)、變壓器低壓側(cè)、油井控制箱輸入端四個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)。主要分析高壓線損、變壓器損耗、低壓線損三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。
油井地面設(shè)備子系統(tǒng)涵蓋范圍為電動(dòng)機(jī)、皮帶、變速箱、四連桿機(jī)構(gòu)、懸繩器。設(shè)自控箱、電動(dòng)機(jī),皮帶、變速箱(左右),四連桿機(jī)構(gòu)、懸繩器等五個(gè)節(jié)點(diǎn)。主要分析電動(dòng)機(jī)效率、皮帶變速箱效率、四連桿機(jī)構(gòu)及懸繩器效率三項(xiàng)分析指標(biāo)。
孤東油田北一西線線路長(zhǎng)度為9.019 km,在用變壓器30臺(tái),油井53口,1臺(tái)增壓泵,1臺(tái)外輸泵,具有外掛負(fù)荷少、采油工藝全面、測(cè)試計(jì)量方便等特點(diǎn);同時(shí)該線路油井電動(dòng)機(jī)、抽油機(jī)使用年限較長(zhǎng),品種、型號(hào)較多。主要設(shè)備、供電情況見(jiàn)表1。
表1 北一西線路供電統(tǒng)計(jì)
2009年11月對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,各測(cè)試點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。北一西線出口有功功率為655 kW,變壓器高壓側(cè)有功功率為644.52 kW,變壓器低壓側(cè)有功功率為573.279 kW,電動(dòng)機(jī)輸入端有功功率為546.87 kW。計(jì)算各節(jié)點(diǎn)損耗見(jiàn)表3。高壓線路損耗為10.48 kW,變壓器損耗為71.24 kW,低壓線路損耗為26.41 kW,其損耗率分別為1.6%、10.88%、4.03%,占該子系統(tǒng)損耗比例分別為6.69%、65.88、24.42%。由此可見(jiàn),有效控制變壓器損耗和低壓線路損耗是降低供配電子系統(tǒng)損耗的關(guān)鍵。
表2 供配電子系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
表3 供配電子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)損耗統(tǒng)計(jì)
2.2.1 高壓供電線路損耗
高壓供電線路損耗由6 kV變電所出口的有功功率減去各個(gè)配電變壓器的輸入端有功功率之和得到。測(cè)試期間變電所出口的日均有功功率為655 kW,各個(gè)配電變壓器的輸入端有功功率之和為644.52 kW,高壓線損耗功率為10.48 kW,高壓線損耗率為1.6%,低于SY/T 6275—2007《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范》中給出的限定值6%。
2.2.2 變壓器損耗
該線路變壓器的型號(hào)有S7、S9、S11和S13型。變壓器的容量及型號(hào)見(jiàn)表4。從表4可以看出,北一西線共有S7型變壓器5臺(tái),占總數(shù)的16.66%,而S7型變壓器是國(guó)家已明令淘汰的高耗能產(chǎn)品,其損耗率比同負(fù)載率的5臺(tái)S11型變壓器高出35.6%。其他變壓器以S11型節(jié)能變壓器為主。經(jīng)測(cè)試,北一西線變壓器的平均負(fù)荷率為25.59%,存在相當(dāng)大的容量浪費(fèi)。抽油機(jī)井變壓器出端的平均電壓達(dá)到412.4 V,有17臺(tái)變壓器的輸出電壓超過(guò)了電壓波動(dòng)范圍±7%(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn))?,F(xiàn)用變壓器擋位少,導(dǎo)致供電質(zhì)量低,變壓器和電動(dòng)機(jī)效率降低,導(dǎo)致?lián)p耗增大。變壓器的總損耗功率達(dá)71.24 kW,總平均損耗率為11.05%,其中S7、S9、S11和S13型變壓器的平均損耗率見(jiàn)表5。
從表5可以看出,S7型變壓器的損耗率明顯高于其他類型的變壓器,其平均損耗率達(dá)到了17.59%。S9型變壓器只有2臺(tái),分別帶1臺(tái)增壓泵拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)和1臺(tái)潛油電動(dòng)機(jī),載荷波動(dòng)不大,損耗率也較低。S11型變壓器是目前較為普遍使用的節(jié)能變壓器,占北一西線再用變壓器的2/3,其平均損耗率為10.68%。北一西線中還使用了3臺(tái)S13型高性能變壓器,其中有2臺(tái)為“一拖多”變壓器,其平均損耗率僅為2.76%。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)部分變壓器的特殊情況做如下分析:
表4 抽油機(jī)變壓器統(tǒng)計(jì)
表5 不同變壓器的平均損耗率
(1)“一拖多”的變壓器平均負(fù)載率為27.82%,略高于北一西線變壓器的平均負(fù)載率25.59%,平均損耗率為10.62%,略低于北一西線變壓器的平均損耗率11.05%。
(2)GD65-13井和6-26-463井對(duì)應(yīng)變壓器負(fù)載側(cè)功率因數(shù)分別只有0.295和0.1858,其拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)為電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī),該種電動(dòng)機(jī)已經(jīng)被界定為高耗能電動(dòng)機(jī),其功率因數(shù)低下。在這種情況下,雖然這兩口井對(duì)應(yīng)的變壓器均為S11型變壓器,但其損耗率分別達(dá)到了21.23%和23.17%,說(shuō)明負(fù)載側(cè)功率因數(shù)過(guò)低導(dǎo)致變壓器損耗增加。
(3)GD6-2井對(duì)應(yīng)變壓器為S13型變壓器,其負(fù)載側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.9818,器損耗率僅為1.28%??梢?jiàn),S13型變壓器能夠保證負(fù)載側(cè)高功率因數(shù)運(yùn)行,其損耗率相當(dāng)?shù)?,甚至低于變壓器手?cè)中給出的1.95%的限定值。
(4)GD65P1為電泵井,用2臺(tái)變壓器帶動(dòng),1臺(tái)為降壓變壓器,1臺(tái)為升壓變壓器,其變壓器累加損耗率達(dá)到了32.45%,明顯高于1臺(tái)變壓器的損耗。
共測(cè)試配電變壓器輸出側(cè)至油井控制柜之間的低壓線路51條,低壓供電線路損耗由配電變壓器出口的有功功率之和減去各個(gè)油井控制柜的輸入端有功功率之和得到,其損耗功率為26.4 kW,其平均線路損耗率為4.6%。
根據(jù)測(cè)試節(jié)點(diǎn)設(shè)置要求,選擇具備條件的10口油井進(jìn)行測(cè)試分析,測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。10口油井電動(dòng)機(jī)的平均效率為82.62%,損失1.38 kW,皮帶變速箱效率為79.75%,損失1.33 kW,四連桿機(jī)構(gòu)及懸繩器效率為61.07%,損失為1.75 kW,子系統(tǒng)損失為4.46 kW,綜合效率為43.83%。
表6 地面系統(tǒng)設(shè)備效率、損失一覽表
油井電動(dòng)機(jī)以Y系列的三相異步電動(dòng)機(jī)為主,地面電動(dòng)機(jī)按功率等級(jí)劃分,統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表7。其中,拖動(dòng)螺桿泵的3臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)其額定功率均為22 kW,1臺(tái)外輸泵額定功率為250 kW,1臺(tái)增壓泵額定功率為30 kW,2臺(tái)雙功率電動(dòng)機(jī)額定功率分別為15/18.5、22/37 kW,2臺(tái)永磁電動(dòng)機(jī)額定功率均為37 kW。除了表7所列的地面電動(dòng)機(jī)還有潛油電泵專用的潛油電動(dòng)機(jī)3臺(tái)。
電動(dòng)機(jī)平均功率因數(shù)為0.49,高于SY/T 6275—2007《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范》中給出的限定值0.4,用抽油機(jī)光桿功率和抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)輸入有功功率計(jì)算得到46臺(tái)抽油機(jī)地面部分的平均效率為41.74%。由數(shù)據(jù)分析可知,抽油機(jī)井所帶46臺(tái)電動(dòng)機(jī)存在問(wèn)題如下:①額定功率在37 kW以上抽油機(jī)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)共9臺(tái),其總額定功率為404 kW而電動(dòng)機(jī)的輸入總有功功率為86.12 kW,功率利用率低,存在“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象;②應(yīng)用2臺(tái)永磁電動(dòng)機(jī),其功率因數(shù)分別為0.7261和0.587,而永磁電動(dòng)機(jī)在合理使用的情況下其功率因數(shù)不應(yīng)低于0.9,造成其功率因數(shù)低的原因可能是永磁電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電壓偏離臨界反電勢(shì)等;③電動(dòng)機(jī)極數(shù)較少,針對(duì)北一西線抽油井本身液量低的特點(diǎn),不利于控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,降低沖速;④異步電動(dòng)機(jī)普遍加裝了電容補(bǔ)償,但13-55、 16-58、 15-258、 GD62-2、 2-17-57、2-19-71等油井采用的是靜態(tài)電容補(bǔ)償?shù)姆绞?,利用電參?shù)測(cè)試儀測(cè)得的功率因數(shù)為負(fù)值,呈現(xiàn)為過(guò)補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài);⑤GD65-13井和6-26-463井拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)為電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī),該種電動(dòng)機(jī)已經(jīng)被界定為高耗能電動(dòng)機(jī),其輸入端功率因數(shù)分別為0.293和0.269。
表7 三相異步電動(dòng)機(jī)統(tǒng)計(jì)
表8 電動(dòng)機(jī)、齒輪箱效率評(píng)價(jià)
針對(duì)10口油井的機(jī)械傳動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了抽測(cè),測(cè)試節(jié)點(diǎn)包括電動(dòng)機(jī)輸出軸,齒輪箱左輸出軸、齒輪箱右輸出軸,其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表8。從測(cè)試結(jié)果可以看出,電動(dòng)機(jī)效率最低的井是19N55,為61%,其功率因數(shù)也較低,僅為0.3574。15-258井、16-58井與GD631-2井的電動(dòng)機(jī)存在轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心的現(xiàn)象。所抽測(cè)的井齒輪箱及皮帶的傳動(dòng)效率均在80%左右,可見(jiàn),其損耗相對(duì)比較穩(wěn)定,沒(méi)有很大的節(jié)能潛力。
通過(guò)以上綜合分析可知,目前機(jī)采系統(tǒng)主要存在以下問(wèn)題:①變壓器負(fù)載率低,能量損失大。測(cè)試變壓器負(fù)載僅為25.59%,損耗率達(dá)到了11.05%,而且S7系列老型號(hào)變壓器損耗率高達(dá)17.59%,造成變壓器平均損耗較高的主要原因是變壓器配置不合理。②部分油井低壓線路較長(zhǎng),損失大,需要進(jìn)行調(diào)整。③電動(dòng)機(jī)功率利用率低,部分電動(dòng)機(jī)效率低,需要進(jìn)行合理配置。通過(guò)測(cè)試表明,電動(dòng)機(jī)平均效率只有80.74%,低于電動(dòng)機(jī)的額定效率。④抽油機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率低,測(cè)試電動(dòng)機(jī)輸出到變速箱輸出的平均傳動(dòng)效率為79.73%,四連桿機(jī)構(gòu)、懸繩器效率僅為66.62%,組合機(jī)、老抽油機(jī)嚴(yán)重地影響了抽油機(jī)的傳動(dòng)效率。
主要采取的節(jié)能技術(shù)改造對(duì)策措施有:應(yīng)用抽油機(jī)專用永磁電動(dòng)機(jī)和配套9擋調(diào)壓變壓器,解決抽油機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)“大馬拉小車(chē)”的問(wèn)題;應(yīng)用16極永磁電動(dòng)機(jī)降低低產(chǎn)液量井的沖速;應(yīng)用永磁電動(dòng)機(jī)容性無(wú)功的附加特點(diǎn),提高低壓線路和高壓線路的功率因數(shù),以及應(yīng)用自動(dòng)調(diào)節(jié)油嘴提高電泵效率,最終實(shí)現(xiàn)機(jī)采拖動(dòng)系統(tǒng)效率最優(yōu)化。
9擋永磁電機(jī)配套自動(dòng)調(diào)壓變壓器,是針對(duì)抽油機(jī)“大馬拉小車(chē)”而設(shè)計(jì)制造的新產(chǎn)品,它可以保證抽油機(jī)在額定電壓下啟動(dòng),增加電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,使電動(dòng)機(jī)和變壓器的容量都有不同程度的下降,且可以為永磁電動(dòng)機(jī)容性功率因數(shù)的發(fā)揮提供技術(shù)保障。因此,所有的S7型變壓器和部分損耗較大的S7型變壓器,應(yīng)更換為S11型9擋永磁電動(dòng)機(jī)配套自動(dòng)調(diào)壓變壓器,其更換情況見(jiàn)表9。
表9 抽油機(jī)變壓器更換
改造后北一西線油井變壓器容量降低2482 kVA,平均負(fù)荷率升為32.5%,抽油機(jī)井變壓器出端的平均電壓波動(dòng)范圍控制在±7%以內(nèi)。按照以往THAS11在抽油機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn),改造后的變壓器損耗率將減少到5%,則變壓器總損失功率減少為39.77 kW,變壓器平均損耗率降為5.13%。
表10 正常沖速抽油機(jī)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)更換
抽油機(jī)專用永磁同步電動(dòng)機(jī)節(jié)能改造情況見(jiàn)表10。表10中11口油井在更換為永磁電動(dòng)機(jī)后,將在不加無(wú)功補(bǔ)償?shù)那闆r下呈容性狀態(tài)運(yùn)行,功率因數(shù)達(dá)到0.9以上;改造前11口油井的總有功功率為86.51 kW,總無(wú)功功率為122 kvar,按照永磁電動(dòng)機(jī)有功節(jié)電率10%,無(wú)功節(jié)電率90%計(jì)算,則每天可節(jié)省有功電量207.62 kW·h。
針對(duì)低產(chǎn)液量井,本條線路2口油井抽油泵的充滿系數(shù)小于0.3的油井選取16極低速永磁電動(dòng)機(jī)予以更換。低液量井的電動(dòng)機(jī)更換情況見(jiàn)表11。
表11 低沖速抽油機(jī)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)更換
這2口油井在更換為低速永磁電動(dòng)機(jī)后,其在不加無(wú)功補(bǔ)償?shù)那闆r下功率因數(shù)仍將達(dá)到90%以上,改造前2口油井的總有功功率為7.172 kW,總無(wú)功功率為18.669 kvar;按照低速永磁電動(dòng)機(jī)有功節(jié)電率20%計(jì)算,無(wú)功節(jié)電率90%計(jì)算,則每天可節(jié)省有功電量34.43 kW·h。
自動(dòng)調(diào)節(jié)油嘴具有自動(dòng)穩(wěn)壓,自動(dòng)調(diào)節(jié)產(chǎn)量,穩(wěn)定可靠,簡(jiǎn)單易行,價(jià)格低廉等特點(diǎn),是目前減小電泵井節(jié)流損失和排量調(diào)節(jié)的最有效措施之一。因此,北一西線負(fù)載的2臺(tái)潛油電泵井實(shí)施更換自動(dòng)調(diào)節(jié)油嘴,以提高電泵井的效率。
根據(jù)供應(yīng)系統(tǒng)定價(jià),北-西線油井綜合改造總投資預(yù)測(cè)為60.051×104元。
4.2.1 直接經(jīng)濟(jì)效益
實(shí)施節(jié)能改造項(xiàng)目后,以變壓器容量費(fèi)年效益按每千伏安28元/月計(jì)算,則變壓器年減容效益為49.99×104元。
同時(shí),實(shí)施節(jié)能改造項(xiàng)目后,12臺(tái)普通沖速油井電動(dòng)機(jī)更換為8極永磁同步電動(dòng)機(jī),則年產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益為56.55×104元。
4.2.2 間接經(jīng)濟(jì)效益
(1)系統(tǒng)改造后輸入功率下降,設(shè)備工作電流也隨之下降,因此,可使設(shè)備的溫升下降,從而延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。
(2)工作電流下降導(dǎo)致高壓線路中的電流也下降,因此,在不改變?cè)╇娫O(shè)備的基礎(chǔ)上,增加了系統(tǒng)的供電能力10%以上。
(3)線路電流的減小,功率因數(shù)的提高,可減少線路損耗3~5個(gè)百分點(diǎn),且可減少高壓側(cè)補(bǔ)償電容的費(fèi)用。
綜合以上分析,該項(xiàng)目實(shí)施后,其投資回收期預(yù)測(cè)為:項(xiàng)目年效益=60.015∶56.55=1.06,即該節(jié)能技術(shù)改造項(xiàng)目投資回收期為1.06年。
實(shí)踐證明,運(yùn)用系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分析方法,加強(qiáng)油田地面系統(tǒng)測(cè)試分析,找出影響提高機(jī)采系統(tǒng)效率關(guān)鍵環(huán)節(jié),形成機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造的成套技術(shù),對(duì)地面系統(tǒng)耗能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐一分析,探究各節(jié)點(diǎn)的能源損失現(xiàn)狀,找出主要矛盾,制定有效對(duì)策,是油田開(kāi)展節(jié)能降耗工作的有效途徑。只有充分考慮油田生產(chǎn)實(shí)際,做到具體問(wèn)題具體分析,推廣應(yīng)用最經(jīng)濟(jì)最適用的油田節(jié)能技術(shù),有針對(duì)性地實(shí)施節(jié)能技術(shù)改造,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化,定能收到良好的節(jié)能技術(shù)改造效果,為創(chuàng)建資源節(jié)約型采油廠和油田生產(chǎn)建設(shè)需要服務(wù)。
[1]朱益飛.以”三標(biāo)”活動(dòng)為載體,推動(dòng)油田節(jié)能工作[J].變頻器世界,2009(9):47-49.
[2]朱益飛,石曉明,馬冬梅.提高孤東油田機(jī)采系統(tǒng)效率的探討[J].電力需求側(cè)管理,2009(4):44-48.
朱益飛,1989年畢業(yè)于華東石油學(xué)院,高級(jí)工程師,從事油田節(jié)能新技術(shù)新工藝的研究開(kāi)發(fā)與推廣應(yīng)用工作,E-mail:zhuyifei112.slyt@sinopec.com,地址:山東省東營(yíng)市仙河鎮(zhèn)勝利油田孤東采油廠技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督站,257237。
2011-05-12)