江漢油田機械采油系統節能措施及潛力分析

麥紅燕 （江漢石油管理局勘察設計研究院，湖北 武漢430223）

機械采油系統主要消耗的是電能，以2005年統計數據為例，江漢油田機械采油系統年耗電19558．30×104kWh，約占生產系統總耗電量的51．87%，江漢油田共有抽油機井1918口，總額定功率為64332kW，平均系統效率低于25%，與國內石油行業系統效率先進水平 （約35%）相比低很多。而系統效率每提高1%，可節電約3%。為了充分挖掘機械采油系統的節能降耗潛力，進一步提高油田機械采油系統效率，自2007年初至2009年年底，江漢油田節能監測站對分公司3個采油廠抽油井進行了能耗調查測試，對機械采油系統各耗能環節進行全面的分析，對節能新設備、節能新技術的應用進行評價，提出節能技改措施及節能潛力，以期降低油田生產能耗。

1 機械采油系統存在的主要問題

1）“大馬拉小車”現象嚴重 “大馬拉小車”是油田企業各類用能環節中普遍存在的現象。一是油井變壓器配備容量過大。目前多數抽油機井使用的是100kVA或50kVA的變壓器一對一拖動55、45、37kW的Y系列異步電動機。這樣的對應關系，使設備容量大，自身損耗高，系統效率低。二是抽油機電機 “大馬拉小車”現象嚴重。江漢油田分公司機械采油系統電動機的額定功率除坪北外絕大部分為37、45、55kW，以江漢采油廠五七作業區為例，336臺在用抽油機井電動機平均額定功率為47kW。而由現場的測試結果可知，電動機的實際輸入功率大部分在3～10kW之間。

2）平衡度合格率偏低 抽油機平衡度的調節是確保抽油機經濟優化運行的重要手段之一，平衡度好壞直接影響到抽油機的系統效率。項目測試的1179口井中就有462口平衡度不達標，不合格率高達39．19%。

3）應淘汰的舊變壓器仍在使用 調查發現，3個采油廠還有451臺國家已明令1998年底以前必須淘汰的S7、SL7型變壓器在用，占總數的33．78%。這些變壓器在現場使用時間長，空載損耗遠遠超過國家標準，根據本次調查測試結果及有關資料顯示，這類變壓器空載損耗的平均值比S9型高0．4kW，極大的增加了變壓器損耗，造成能源極大的浪費。

4）修復電機質量不達標 在2006年度中石化機采測試調查中，隨機抽查了30臺修復電機的空載損耗，平均2．87kW，平均值比國家標準 （1．4kW）高出一倍多。

5）抽油機自身存在問題多，能耗高 首先，抽油機老齡化嚴重。以清河采油廠為例，在用抽油機共計870臺 （2007年初統計數據），全廠抽油機新度系數僅為0．3，大于14年的抽油機占12．5%，5～14年的占54．3%；其次，抽油機帶病運行多。清河采油廠有169臺抽油機存在各種大大小小的問題，如基礎、減速箱、沖程孔壞及其他問題，占抽油機總數的19．4%。此類抽油機因帶病運行，造成地面傳動效率偏低。

6）抽汲參數匹配不合理 測試結果表明，50%井泵充滿系數低于標準要求值0．4，其中供液嚴重不足的井占12%，泵充滿系數低于0．2，平均沖次為4．31次／min，如果調整抽油機的沖次，僅將抽油機的泵排量系數提高到標準要求的0．4，理論上1．2次／min就可滿足生產工藝的需要，也就是說將這些嚴重供液不足的井調整到1～2次就可滿足。

7）管理手段不夠先進 由于無法經常對抽油機進行測試，也無法及時了解到抽油機的運行情況，導致現場會發生以下情況：有些嚴重漏失、斷脫等不正常的井不能及時發現，及時作業，導致抽油機空抽；抽油機工況的變化，導致平衡度變化，不能及時測試、及時調整；極少數動液面在井口的井，不能及時調整參數把液面抽下去；供電質量有不合格現象，有些額定電壓380V電動機，實際工作電壓能達440V，高出額定電壓15%。導致電動機自身損耗加大本身效率下降約3%。變電所出口電壓高，而末端電壓低造成電機啟動困難；部分采油廠對節能產品和節能技術的認識不清，使用所謂的節能產品。

2 機械采油系統主要節能措施

1）選用節能電動機 目前油田應用的電機主要有雙功率電機、高轉差電機、電磁調速電機、開關磁阻電機及齒輪減速電機等，均為在普通Y系列異步電機的基礎上針對油田機械采油系統特殊的變動負載工況進行的改良，雖然都有一定的節能效果，但均存在適用范圍有限、機械或控制復雜、可靠度偏低，且缺少統一制造標準，后期運行維護難以跟上的問題。而永磁電機不需要無功勵磁電流，可顯著提高功率因數，減少定子電流和定子電阻損耗，而且在穩定運行時沒有轉子電阻損耗，進而可以因總損耗降低而減小風扇 （小容量電機甚至可去掉風扇）和相應的風摩損耗，從而使其效率比同規格電動機提高2%～8%；而且永磁電機在25%～120%額定負載范圍內均可保持較高的效率和功率因數，適應范圍寬、啟動扭矩大，額定功率可以比異步電動機降低1～2個等級，最適應于油田機械采油系統啟動扭矩大、運行負荷小、負荷波動較劇烈的工況。因此永磁同步電動機也被國家發改委選為 “十一五”期間在石油行業重點推廣的一項技術。

2）選用節能控制柜 目前常見的抽油機節能控制柜主要有可控硅實時調壓控制柜、△-Y切換控制柜電容控制柜、變頻器控制柜、間開控制柜等5種電機控制柜。測試分析發現，作為機采拖動系統中的輔助裝置，當電動機負載率低于10%時部分節能控制柜才具有明顯的節電效果。總之，從系統優化的層次出發，控制柜不宜單獨作為機械采油系統節能的主流推廣產品。

3）配電變壓器 當前配電變壓器的節能改造主要體現在產品的升級換代，用S11、S13等新型號變壓器替代S7及S7以下型號淘汰變壓器。由于變壓器制造材料和制造工藝的進步，新型變壓器較之按20世紀80年代標準生產的S7型變壓器，其空載損耗及負載損耗均大幅降低。

4）機械減速傳動 由于普通電機最低速度和皮帶輪的最小包角限制，抽油機的最小沖次僅能調到4次／min，對于大多數泵充滿系數小于0．4的井，1～1．5次／min即可滿足生成工藝要求。目前通過降低沖次提高系統效率的技術主要有電機改造 （包括電磁調速電機、開關磁阻電機、齒輪減速電機、16極永磁同步電機）、控制柜改造 （主要包括變頻器控制柜和間開控制柜）和機械減速傳動。機械減速傳動主要是通過在電機皮帶輪和齒輪箱皮帶輪之間增加一級機械減速輪，以降低抽油機沖次，提高泵沉沒時間。這種減速裝置非常簡單，只要調整輪徑的大小，就可將抽油機的沖次調整到1次／min。其缺點是無法實現無級調速，且增加一級皮帶傳送會造成機械損失增大，但可提高系統效率。

綜合對比，16極永磁同步電機和超低速電機 （齒輪減速電機）應用效果明顯，是技術較為成熟的降低沖次的產品。

5）其他節能技術 ①節能抽油機。目前油田成熟應用的節能抽油機主要包括異相曲柄游梁式抽油機、皮帶機、雙驢頭抽油機等3種。其他新型節能抽油機，大都屬于試驗性投資，且一種技術成熟、尤其是現場應用穩定可靠的抽油機現場試驗周期不應少于3a，其改造施工周期長，改造前后工況變化大，進行對比測試需要較長時間。②機械采油系統在線實時監測。油田企業生產具有開放性特點，采油井地域跨度大、環境惡劣，給生產現場的精細化管理造成了極大的障礙。利用無線網絡進行在線監測作為一種管理輔助手段，與人工檢修相結合，是提高機采井管理水平的一項有效措施。目前，已投入使用的無線監控系統主要分為2類：安全監控 （主要是在井場安裝攝像頭，監控漏油、偷盜等安全問題）和數據采集 （主要是對抽油機實時采集電機電壓、電流及示功圖等數據資料）。從節能管理的角度出發，在線實時監測對于動態掌握生產井的運行狀況，及時優化調整意義重大，但目前主要問題是基層職工整體節能知識水平不高，面對各種實時參數發現不了問題。

3 江漢油田機械采油系統可行的節能方案

由于機械采油系統現場條件復雜，節能抽油機、抽油機節能控制器和節能電動機的組合，應根據理論分析和現場實際情況來選擇。如果沒有完備的理論分析和現場應用實測數據作根據，則建議用于機械采油系統的節能產品，最好單獨使用，不要疊加。通過對機械采油系統的能耗測試調查分析及江漢油田現場應用的節能措施效果對比以及其他油田已應用節能措施情況，現階段江漢油田分公司機械采油系統切實可行的節能方案推薦從以下幾個方面著手：

1）推廣新型抽油機拖動系統 經大量的現場測試對比及各油田的應用效果證明，抽油機專用永磁同步電動機值得各油田大力推廣，比較適用于功率因數低、裝機功率大的抽油機井。推廣應用永磁同步電動機應注意的問題是要嚴格篩選永磁體和電機生產廠家。對供液嚴重不足的生產井，采用16極永磁電機或超低速齒輪減速電機，健全修復電機質量監督與檢驗。

2）搞好抽油機平衡 抽油機運行不平衡，會造成電動機運行電流和功率因數波動過大，少量電動機出現負功現象，造成不必要的耗電。因此，必須保證抽油機的平衡度要求，穩定抽油機工作時平衡度（下行峰值電流與上行峰值電流比值）在80%～110%之間。

3）加強管理 管理要加強，減少機械采油系統的磨損，合理匹配抽汲參數。

4 江漢油田機械采油系統節能潛力

根據本次測試結果及對分公司機械采油系統的深入研究，查找出了系統各耗能環節存在的主要問題，通過應用以下新技術和提高管理手段，江漢油田分公司至少存在4554×104kWh的節能潛力。

1）將淘汰變壓器更換成節能變壓器 根據中石化能源檢測中心的測試結果，現場S7型變壓器與S9型變壓器相比空載損耗平均增加0．4kW，因此在計算淘汰老舊S7型變壓器，換用S9型或S11型變壓器節電潛力時，按一臺節電0．4kW，這樣更換一臺S7型淘汰變壓器一年就可節電3504度，可實施量有451臺，年綜合節電158×104kWh。

2）普通Y系列電機更換成高效節能電機 根據全國節能計量測試技術服務中心對勝利油田分公司河口采油廠安裝的124臺雙電壓自動調壓變壓器的檢測，以30kVA雙電壓自動調壓變壓器替代50kVA普通變壓器 （配套使用永磁同步電動機），節電率為24．76%，因此對于需要更換雙電壓自動調壓變壓器配套永磁同步電動機的抽油機，按一臺節電20%，即單井輸入功率的20%即為節電功率；按600臺計，單項年節電14016kWh，綜合年節電841×104kWh。

3）修復電機質量達標 根據現場測試，修復電機的空載損耗比國家標準高0．9kW，故修復更換時，按每臺0．9kW計算，每臺每年可節電7884kWh；可實施量300臺，年綜合節電237×104kWh。

4）抽油機調平衡 根據權威資料和現場試驗，抽油機從不平衡調到平衡節電 （0．3～1．5）kW，按0．5kW計，則調整一口不平衡井年節電量為4380kWh，共有726口井，年綜合節電318×104kWh。

5）調整抽油機沖次，提高泵充滿系數 經過調查測試，江漢油田目前低充滿系數井共有981口，通過降低抽油機沖次，提高泵充滿系數，理論上年節電量3000萬kWh（見表1）。

表1 江漢油田分公司低充滿系數井降低沖次后節電量計算表

5 結 語

研究的節能技改措施在江漢油田各個采油廠節能技改項目中都得到了廣泛應用，在經濟性和技術可靠性上取得了較好的效果?，F階段油田分公司機采系統切實可行的節能方案首先是推廣新型抽油機拖動系統，包括推廣抽油機專用永磁同步電動機、對供液嚴重不足的生產井，采用16極永磁電機或超低速齒輪減速電機。另外，健全修復電機質量監督與檢驗，搞好抽油機平衡，加強管理，減少機采系統的磨損，合理匹配抽汲參數。通過應用新技術和提高管理手段，分公司機采系統至少存在4554×104kWh的節能潛力。