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)國家號召，主動承擔(dān)社會責(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，積極規(guī)劃、主動推進、大力實施碳中和措施。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，而四項措施的基礎(chǔ)是節(jié)約能源，節(jié)能是最大的減排。油田機采系統(tǒng)以耗電為主，占油田總耗電的60%以上，做好機采系統(tǒng)節(jié)能工作，對于碳中和意義重大。機采節(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，開展了該項研究。

1 總體思路

機采系統(tǒng)節(jié)能主要通過應(yīng)用節(jié)能設(shè)備、優(yōu)化設(shè)備運行參數(shù)、提高設(shè)備運行效率來實現(xiàn)[1]。油田機采系統(tǒng)常用的節(jié)能設(shè)備包括節(jié)能電動機、配電箱、變頻器等[2]。針對油田現(xiàn)場實際，優(yōu)選了常用的15種設(shè)備，包括8種電動機、5種配電箱、2種變頻器，應(yīng)用節(jié)能評價模擬井，對其進行了綜合評價[1]。

評價節(jié)能設(shè)備，以普通異步電動機和常規(guī)配電箱為對比基礎(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、電動機輸入端電參數(shù)變化，對比各工況下設(shè)備的節(jié)能效果，給出評價結(jié)論。

2 評價方法

電動機評價，選擇普通三相異步電動機作為對比對象，其他電動機以該電動機作為參考，評價不同工作制度和工作環(huán)境下節(jié)能效果[3]。配電箱評價，選擇模擬井本身的常規(guī)電控作為對比對象，其他配電箱與其對比，評價不同配電箱的節(jié)能效果。變頻器評價，因為變頻器的主要作用是調(diào)參節(jié)能，主要評價變頻器的工作特性，以及對電網(wǎng)的影響情況，同時對比皮帶輪調(diào)參評價是否有節(jié)能效果。交叉評價，對每種設(shè)備單獨評價的同時，對可以交叉使用的設(shè)備，評價兩種設(shè)備共同應(yīng)用效果，了解設(shè)備的組合應(yīng)用可能性。

3 評價結(jié)果

3.1 節(jié)能電動機

3.1.1 同一工作制度下不同類型電動機節(jié)能效果對比

應(yīng)用模擬井測試設(shè)備，在同一口油井，應(yīng)用不同的電動機進行舉升拖動，在工作環(huán)境不變的情況下，得出如下測試結(jié)果。對比普通異步電動機，雙速電動機不但沒有節(jié)能效果，耗能量還高于三項異步電動機，超高轉(zhuǎn)差電動機和稀土電動機，在負(fù)載率20%以上的情況下，節(jié)能均達(dá)到10%以上，稀土電動機節(jié)能效果好于超高轉(zhuǎn)差電動機，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機節(jié)能效果對比見表1。

表1 同一工作制度下不同類型電動機節(jié)能效果對比

3.1.2 不同負(fù)載率下不同電動機節(jié)能效果對比

油井工作參數(shù)包括沖程和沖次，常規(guī)四連桿抽油機，調(diào)整沖次相對容易實現(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)整電動機的負(fù)載率，評價電動機在不同功率利用率下節(jié)能效果。通過表2測試數(shù)據(jù)對比可以看出。在同一工作制度下，與普通異步電動機比較，除了雙速電動機，其它電動機均有節(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)載率電動機節(jié)能效果對比

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

3.1.3 同一電動機不同裝機功率能耗對比

通過應(yīng)用模擬井測試，對比同一工作制度下，不同裝機功率高轉(zhuǎn)差電動機能耗情況，超高轉(zhuǎn)差電動機節(jié)能效果對比見表3。根據(jù)測試數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)同一口井，裝機功率越低的油井能耗越低，說明合理選擇裝機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)差電動機節(jié)能效果對比

3.1.4 工作電壓對稀土電動機影響評價

稀土電動機是節(jié)能效果較好的電動機，但是也有一定的應(yīng)用環(huán)境限制，比如電壓對稀土電動機影響較大，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)用稀土電動機，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%，稀土電動機評價見表4。

表4 稀土電動機評價

3.2 節(jié)能控制裝置

由于機采系統(tǒng)舉升設(shè)計，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)計的電動機裝機功率較大。隨著油田開發(fā)進入中后期，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。合理降低電動機裝機功率，可以實現(xiàn)節(jié)能效果，在不改變電動機的情況下，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)評價、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

通過測試評價，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，可以實現(xiàn)減碳4%以上。同時電壓的變化也影響控制效果，由于大部分油井都是一臺變壓器帶多臺抽油機，對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)能效果對比見表5。

表5 星角轉(zhuǎn)換節(jié)能效果對比

3.2.2 變頻器

變頻器是通過改變頻率的方式控制電動機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)調(diào)整抽油機沖次實現(xiàn)節(jié)能。主要通過對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、電動機輸入端能耗，評價變頻器自身能耗；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 變頻器評價效果

4 節(jié)能效果對減碳的影響

在“雙碳”目標(biāo)下，“開源節(jié)流”是關(guān)鍵，“開源”是從源頭控制，在機采系統(tǒng)舉升設(shè)計中，采用清潔能源作為舉升動力，比如太陽能、風(fēng)能，可以實現(xiàn)零碳排放，但是由于目前技術(shù)的成熟度、經(jīng)濟性等問題，無法大面積推廣應(yīng)用。“節(jié)流”就是通過提高設(shè)備運行效率，提高節(jié)能效果，實現(xiàn)減碳。對于新投產(chǎn)的油井，在方案設(shè)計過程中，通過優(yōu)選節(jié)能舉升方式、應(yīng)用高效設(shè)備實現(xiàn)源頭控制減碳；對于老井，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，實現(xiàn)減碳。

以機采系統(tǒng)耗電量每年70000×108kWh，通過加強管理、優(yōu)化運行、合理應(yīng)用節(jié)能設(shè)備等措施，按節(jié)能5%計算，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)的實現(xiàn)。

通過本次評價，機采節(jié)能設(shè)備應(yīng)用過程中，以下幾方面結(jié)論可以借鑒：

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

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

3）高轉(zhuǎn)差電動機合理應(yīng)用有節(jié)能效果，其節(jié)能效果隨電動機負(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，該電動機還有減少桿管磨損，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，如果電動機負(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]。