抽油機平均有功功率節能率的計算方法

馬中山（中國石油天然氣集團公司西北油田節能監測中心）

在油田生產設備中，抽油機是最重要、也是數量最大的耗能設備。由于現有常規抽油機普遍存在運行效率較低、能源利用率較差的問題，因此，針對抽油機開發的各類節能技術和節能產品也是種類繁多、技術各異。準確測定各類節能技術和節能產品的節能率是評價其節能效果的關鍵指標。

1 現狀與存在問題

石油行業標準SY/T 6422《石油企業用節能產品節能效果測定》中，規定了抽油機用節能技術和節能產品的節能率的計算方法，它分為不變工況和變工況兩種情況[1]，兩種工況下的計算方法表示如下：

不變工況

式中：——有功功率節能率，%；

——應用節能產品后噸液提升百米揚程有功功率耗電量，kWh/(100 m·t)。

變工況

式中：ξjg——節能率，%；

——應用節能產品前機械采油系統產液單耗，kWh/t；

——應用節能產品后機械采油系統產液單耗，kWh/t。

標準給出的計算公式，僅僅是針對單臺抽油機節能率的計算方法。但在實際節能產品評價測試過程中，一般不會采用單臺設備的測試數據來評定其節能效果，通常是測試多臺抽油機，以多臺抽油機的平均節能率作為該節能產品的節能效果評價指標。這種評價方法不僅更科學，而且也更公平。

由于在標準SY/T 6422《石油企業用節能產品節能效果測定》中，沒有給出平均節能率的計算方法，導致抽油機用節能技術和節能產品計算平均節能率的方法不能統一，計算結果也差別較大，有的方法甚至可能出現錯誤的結論，直接影響了抽油機用節能技術和節能產品的正確評價。

根據標準SY/T 6422《石油企業用節能產品節能效果測定》中給出的單臺抽油機節能率的計算方法，不同條件下，抽油機用節能技術和節能產品的節能率可以采用噸液百米單耗或產液單耗來計算。因此，多臺抽油機平均節能率的計算也通常首先考慮使用平均噸液百米單耗或平均產液單耗來計算。計算的方法有加權平均和算術平均兩種方法。另外，還可以考慮采用單臺抽油機節能率的算術平均值作為多臺抽油機的平均節能率，但在實際測試計算過程中，上述方法存在兩方面的問題。

1）平均節能率大于節能技術的理論值。在某廠15臺抽油機普通電動機更換為高轉差電動機的改造項目中，根據改造前后測試數據，按照不同計算方法計算節能率結果如表1所示。

表1 抽油機更換高轉差電動機節能率計算結果

15臺抽油機改造后的沖速、沖程及油井產液量、動液面變化超出了SY/T6422《石油企業用節能產品節能效果測定》中對不變工況的要求，根據標準要求應采用產液單耗計算單臺抽油機的節能率。考慮到噸液百米單耗也是計算抽油機節能率的重要參數，表1也列出了采用噸液百米單耗計算的抽油機節能率。

高轉差電動機的節電原理，可以用較小容量的電動機取代目前較大容量的普通電動機做到合理的功率匹配，從而減少其固定損耗；可以大大減少乃至消除抽油機運行時的發電狀態，減少了能量無益傳遞過程中的損耗；這種電動機具有平坦的效率特性曲線，負載率在20%～40%時，其效率基本處于70%～80%之間，高于普通電動機，就節能而言，抽油機匹配高轉差電動機是合理的[2-3]。

根據理論計算及專家經驗，高轉差電動機與普通電動機相比，高轉差電動機的效率和功率因數均有所提高，經現場測試比對，其有功節電率為10.5%[4]。

由表1可知，采用產液單耗計算的節能率最大值為44.05%，最小值為0%，算術平均值為19.74%。用產液單耗加權平均值計算的平均節能率為26.83%，用產液單耗算術平均值計算的平均節能率為22.50%，各種方法計算的抽油機平均節能率均遠遠高于理論數據。

而采用噸液百米單耗計算出的抽油機平均節能率中，除單臺節能率算術平均值外，其他兩種算法所得的抽油機平均節能率也明顯偏高。說明上述兩種方法不適用于抽油機用節能技術和節能產品平均節能率的計算。

2）計算結果矛盾。在某廠13臺抽油機普通電動機更換為永磁電動機的改造項目中，根據改造前后測試數據，按照不同計算方法計算節能率結果如表2所示。

表2 抽油機更換永磁電動機節能率計算結果

永磁電動機是一種高效節能產品，與感應電動機相比，可以顯著提高功率因數，減少定子電流和定子電阻損耗，在穩定運行時沒有轉子電阻損耗，其效率比同規格電動機提高2%～8%。永磁同步電動機在25%～120%額定負載范圍內均可保持較高的效率和功率因數，使輕載運行時節電效果更為顯著。由于啟動轉距較異步電動機大，額定功率可以比異步電動機降低一個等級。以某油田企業為例，某采油廠把異步電動機更換為永磁同步電動機，通過測試對比，其平均有功節電率為6.07%，平均綜合節電率為24.61%[5-6]。

由表2可知，采用產液單耗以各種方法計算的抽油機平均節能率偏大，采用噸液百米單耗計算的抽油機加權平均節能率，既然大于單臺抽油機以噸液百米單耗計算的節能率最大值，這是明顯不符合邏輯的，說明這種計算方法本身在理論上就存在問題。

2 計算方法分析

抽油機用節能技術或節能產品的節能效果受到的影響因素很多，在沒有標準裝置的情況下，采用在生產現場安裝節能設備前后的測試數據評價其節能效果，也是無奈之舉。生產現場單臺設備的測試結果必然會有相當大的偶然性，但如果測試數量足夠大，測試結果的平均值可以反映節能設備的節能效果，關鍵是如何計算平均節能率。

采用平均噸液百米單耗或平均產液單耗計算平均節能率，其理論依據是：首先計算多臺抽油機改造前后的平均噸液百米單耗或產液單耗，再按照單臺抽油機節能率的方法計算多臺抽油機的平均節能率。但是，由于抽油機設備運行工況復雜，運行參數受各方面因素影響較大，使最終計算的平均節能率可能出現不合理甚至矛盾的現象。

表3 累計節電功率法平均節能率計算結果

采用單臺抽油機節能率的算術平均值作為多臺抽油機的平均節能率，就忽略了不同抽油機功率大小、節能效果多少對總體平均節能率的作用和影響，也存在不合理性。

為避免上述各種計算方法存在的問題，經過對節能率基本定義的分析，借鑒SY/T 5264《油田生產系統能耗測試和計算方法》中抽油機平均系統效率的計算理論[7]，特提出采用累計節電功率計算平均節能率的方法。該方法與上述各種方法的不同點在于采用多臺抽油機實際累計節電功率，是抽油機實際節電效果的真實體現，是一種直接計算節能率的方法。它不同于采用平均噸液百米單耗或產液單耗的間接計算方法，因而避免了平均節能率計算結果出現不合理或矛盾的現象，同時也可以體現抽油機功率大小、節能效果多少對平均節能率的作用和影響。

采用累計節電功率計算平均節能率的計算公式如下：

式中：ξjy——平均有功節能率，%；

ξiy——第i臺抽油機的有功節能率，%；

Pi1——第i臺抽油機改造前電動機消耗有功功率，kW。

3 方法驗證

采用累計節電功率法，對前述更換高轉差電動機的15臺抽油機改造項目和更換永磁電動機的13臺抽油機改造項目平均節能率重新進行計算，并且在更換永磁電動機的13臺抽油機中挑選出沖程、沖速及油井產液量、動液面等運行參數波動不大3口井，采用平均噸液百米單耗計算平均節能率（表3）。

由表3可知，采用累計節電功率法計算15臺抽油機更換高轉差電動機的平均有功節能率為13.47%，13臺抽油機更換永磁電動機的平均有功節能率為8.75%，3臺更換永磁電動機后運行參數波動不大的抽油機平均有功節能率為8.72%；采用平均噸液百米單耗計算3臺更換永磁電動機后運行參數波動不大抽油機的平均有功節能率為7.94%。

從上述計算結果看，采用累計節電功率法計算的平均有功節能率，與所采用節能技術的理論節能率基本對應，沒有出現不合理的矛盾現象。并且，3臺更換永磁電動機后運行參數波動不大的抽油機平均有功節能率與13臺抽油機總體的平均節能率非常相近，而且采用平均噸液百米單耗與采用累計節電功率法計算的平均有功節能率也比較接近，符合理論分析結果。

4 結論

采用累計節電功率法計算抽油機的平均節能率，是根據節能的基本定義直接計算節能率的方法，其核心內涵是節能率的加權平均。該方法可以有效避免其他計算方法可能產生的與節能技術不對應、不合理或矛盾的計算結果，是全面、準確評價節能技術或節能產品節能效果的有效方法。抽油機變工況下的平均節能率也同樣可以參照此方法進行計算。

[1]石油工業節能節水專業標準化技術委員會.石油工業用節能產品節能效果測定：SY/T 6422—2016[S].北京：石油工業出版社，2016：2-3.

[2]吳付生.超高轉差率電動機的應用及效果[J].電氣開關，2009（1）：68-69.

[3]宋濤.抽油機工況下電機效率理論分析及實驗研究[D].西安：西安理工大學，2011.

[4]李德格，袁秀堂，張君，等.提高機采系統效率的措施及建議[J].油氣田地面工程，2014，33（3）：7.

[5]李東波，李嘉煒，鞏建衛，等.油田抽油機電機節能方式探討[J].山東工業技術，2017（8）：63.

[6]蘇小雨，姚安梅.游梁式抽油機兩種電機驅動的對比[J].沿海企業與科技，2009（4）：40-42.

[7]石油工業節能節水專業標準化技術委員會.油田生產系統能耗測試和計算方法：SY/T 5264—2012[S].北京：石油工業出版社，2012：10-11.