抽油機(jī)平均有功功率節(jié)能率的計(jì)算方法

馬中山（中國石油天然氣集團(tuán)公司西北油田節(jié)能監(jiān)測中心）

在油田生產(chǎn)設(shè)備中，抽油機(jī)是最重要、也是數(shù)量最大的耗能設(shè)備。由于現(xiàn)有常規(guī)抽油機(jī)普遍存在運(yùn)行效率較低、能源利用率較差的問題，因此，針對(duì)抽油機(jī)開發(fā)的各類節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品也是種類繁多、技術(shù)各異。準(zhǔn)確測定各類節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品的節(jié)能率是評(píng)價(jià)其節(jié)能效果的關(guān)鍵指標(biāo)。

1 現(xiàn)狀與存在問題

石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6422《石油企業(yè)用節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定》中，規(guī)定了抽油機(jī)用節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品的節(jié)能率的計(jì)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(jì)算方法表示如下：

不變工況

式中：——有功功率節(jié)能率，%；

——應(yīng)用節(jié)能產(chǎn)品后噸液提升百米揚(yáng)程有功功率耗電量，kWh/(100 m·t)。

變工況

式中：ξjg——節(jié)能率，%；

——應(yīng)用節(jié)能產(chǎn)品前機(jī)械采油系統(tǒng)產(chǎn)液單耗，kWh/t；

——應(yīng)用節(jié)能產(chǎn)品后機(jī)械采油系統(tǒng)產(chǎn)液單耗，kWh/t。

標(biāo)準(zhǔn)給出的計(jì)算公式，僅僅是針對(duì)單臺(tái)抽油機(jī)節(jié)能率的計(jì)算方法。但在實(shí)際節(jié)能產(chǎn)品評(píng)價(jià)測試過程中，一般不會(huì)采用單臺(tái)設(shè)備的測試數(shù)據(jù)來評(píng)定其節(jié)能效果，通常是測試多臺(tái)抽油機(jī)，以多臺(tái)抽油機(jī)的平均節(jié)能率作為該節(jié)能產(chǎn)品的節(jié)能效果評(píng)價(jià)指標(biāo)。這種評(píng)價(jià)方法不僅更科學(xué)，而且也更公平。

由于在標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6422《石油企業(yè)用節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定》中，沒有給出平均節(jié)能率的計(jì)算方法，導(dǎo)致抽油機(jī)用節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品計(jì)算平均節(jié)能率的方法不能統(tǒng)一，計(jì)算結(jié)果也差別較大，有的方法甚至可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)論，直接影響了抽油機(jī)用節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品的正確評(píng)價(jià)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6422《石油企業(yè)用節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定》中給出的單臺(tái)抽油機(jī)節(jié)能率的計(jì)算方法，不同條件下，抽油機(jī)用節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品的節(jié)能率可以采用噸液百米單耗或產(chǎn)液單耗來計(jì)算。因此，多臺(tái)抽油機(jī)平均節(jié)能率的計(jì)算也通常首先考慮使用平均噸液百米單耗或平均產(chǎn)液單耗來計(jì)算。計(jì)算的方法有加權(quán)平均和算術(shù)平均兩種方法。另外，還可以考慮采用單臺(tái)抽油機(jī)節(jié)能率的算術(shù)平均值作為多臺(tái)抽油機(jī)的平均節(jié)能率，但在實(shí)際測試計(jì)算過程中，上述方法存在兩方面的問題。

1）平均節(jié)能率大于節(jié)能技術(shù)的理論值。在某廠15臺(tái)抽油機(jī)普通電動(dòng)機(jī)更換為高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)的改造項(xiàng)目中，根據(jù)改造前后測試數(shù)據(jù)，按照不同計(jì)算方法計(jì)算節(jié)能率結(jié)果如表1所示。

表1 抽油機(jī)更換高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)節(jié)能率計(jì)算結(jié)果

15臺(tái)抽油機(jī)改造后的沖速、沖程及油井產(chǎn)液量、動(dòng)液面變化超出了SY/T6422《石油企業(yè)用節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定》中對(duì)不變工況的要求，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求應(yīng)采用產(chǎn)液單耗計(jì)算單臺(tái)抽油機(jī)的節(jié)能率。考慮到噸液百米單耗也是計(jì)算抽油機(jī)節(jié)能率的重要參數(shù)，表1也列出了采用噸液百米單耗計(jì)算的抽油機(jī)節(jié)能率。

高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)的節(jié)電原理，可以用較小容量的電動(dòng)機(jī)取代目前較大容量的普通電動(dòng)機(jī)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(jī)運(yùn)行時(shí)的發(fā)電狀態(tài)，減少了能量無益?zhèn)鬟f過程中的損耗；這種電動(dòng)機(jī)具有平坦的效率特性曲線，負(fù)載率在20%～40%時(shí)，其效率基本處于70%～80%之間，高于普通電動(dòng)機(jī)，就節(jié)能而言，抽油機(jī)匹配高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)是合理的[2-3]。

根據(jù)理論計(jì)算及專家經(jīng)驗(yàn)，高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)與普通電動(dòng)機(jī)相比，高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)均有所提高，經(jīng)現(xiàn)場測試比對(duì)，其有功節(jié)電率為10.5%[4]。

由表1可知，采用產(chǎn)液單耗計(jì)算的節(jié)能率最大值為44.05%，最小值為0%，算術(shù)平均值為19.74%。用產(chǎn)液單耗加權(quán)平均值計(jì)算的平均節(jié)能率為26.83%，用產(chǎn)液單耗算術(shù)平均值計(jì)算的平均節(jié)能率為22.50%，各種方法計(jì)算的抽油機(jī)平均節(jié)能率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理論數(shù)據(jù)。

而采用噸液百米單耗計(jì)算出的抽油機(jī)平均節(jié)能率中，除單臺(tái)節(jié)能率算術(shù)平均值外，其他兩種算法所得的抽油機(jī)平均節(jié)能率也明顯偏高。說明上述兩種方法不適用于抽油機(jī)用節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品平均節(jié)能率的計(jì)算。

2）計(jì)算結(jié)果矛盾。在某廠13臺(tái)抽油機(jī)普通電動(dòng)機(jī)更換為永磁電動(dòng)機(jī)的改造項(xiàng)目中，根據(jù)改造前后測試數(shù)據(jù)，按照不同計(jì)算方法計(jì)算節(jié)能率結(jié)果如表2所示。

表2 抽油機(jī)更換永磁電動(dòng)機(jī)節(jié)能率計(jì)算結(jié)果

永磁電動(dòng)機(jī)是一種高效節(jié)能產(chǎn)品，與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，可以顯著提高功率因數(shù)，減少定子電流和定子電阻損耗，在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，其效率比同規(guī)格電動(dòng)機(jī)提高2%～8%。永磁同步電動(dòng)機(jī)在25%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)電效果更為顯著。由于啟動(dòng)轉(zhuǎn)距較異步電動(dòng)機(jī)大，額定功率可以比異步電動(dòng)機(jī)降低一個(gè)等級(jí)。以某油田企業(yè)為例，某采油廠把異步電動(dòng)機(jī)更換為永磁同步電動(dòng)機(jī)，通過測試對(duì)比，其平均有功節(jié)電率為6.07%，平均綜合節(jié)電率為24.61%[5-6]。

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

2 計(jì)算方法分析

抽油機(jī)用節(jié)能技術(shù)或節(jié)能產(chǎn)品的節(jié)能效果受到的影響因素很多，在沒有標(biāo)準(zhǔn)裝置的情況下，采用在生產(chǎn)現(xiàn)場安裝節(jié)能設(shè)備前后的測試數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)其節(jié)能效果，也是無奈之舉。生產(chǎn)現(xiàn)場單臺(tái)設(shè)備的測試結(jié)果必然會(huì)有相當(dāng)大的偶然性，但如果測試數(shù)量足夠大，測試結(jié)果的平均值可以反映節(jié)能設(shè)備的節(jié)能效果，關(guān)鍵是如何計(jì)算平均節(jié)能率。

采用平均噸液百米單耗或平均產(chǎn)液單耗計(jì)算平均節(jié)能率，其理論依據(jù)是：首先計(jì)算多臺(tái)抽油機(jī)改造前后的平均噸液百米單耗或產(chǎn)液單耗，再按照單臺(tái)抽油機(jī)節(jié)能率的方法計(jì)算多臺(tái)抽油機(jī)的平均節(jié)能率。但是，由于抽油機(jī)設(shè)備運(yùn)行工況復(fù)雜，運(yùn)行參數(shù)受各方面因素影響較大，使最終計(jì)算的平均節(jié)能率可能出現(xiàn)不合理甚至矛盾的現(xiàn)象。

表3 累計(jì)節(jié)電功率法平均節(jié)能率計(jì)算結(jié)果

采用單臺(tái)抽油機(jī)節(jié)能率的算術(shù)平均值作為多臺(tái)抽油機(jī)的平均節(jié)能率，就忽略了不同抽油機(jī)功率大小、節(jié)能效果多少對(duì)總體平均節(jié)能率的作用和影響，也存在不合理性。

為避免上述各種計(jì)算方法存在的問題，經(jīng)過對(duì)節(jié)能率基本定義的分析，借鑒SY/T 5264《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計(jì)算方法》中抽油機(jī)平均系統(tǒng)效率的計(jì)算理論[7]，特提出采用累計(jì)節(jié)電功率計(jì)算平均節(jié)能率的方法。該方法與上述各種方法的不同點(diǎn)在于采用多臺(tái)抽油機(jī)實(shí)際累計(jì)節(jié)電功率，是抽油機(jī)實(shí)際節(jié)電效果的真實(shí)體現(xiàn)，是一種直接計(jì)算節(jié)能率的方法。它不同于采用平均噸液百米單耗或產(chǎn)液單耗的間接計(jì)算方法，因而避免了平均節(jié)能率計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)不合理或矛盾的現(xiàn)象，同時(shí)也可以體現(xiàn)抽油機(jī)功率大小、節(jié)能效果多少對(duì)平均節(jié)能率的作用和影響。

采用累計(jì)節(jié)電功率計(jì)算平均節(jié)能率的計(jì)算公式如下：

式中：ξjy——平均有功節(jié)能率，%；

ξiy——第i臺(tái)抽油機(jī)的有功節(jié)能率，%；

Pi1——第i臺(tái)抽油機(jī)改造前電動(dòng)機(jī)消耗有功功率，kW。

3 方法驗(yàn)證

采用累計(jì)節(jié)電功率法，對(duì)前述更換高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)的15臺(tái)抽油機(jī)改造項(xiàng)目和更換永磁電動(dòng)機(jī)的13臺(tái)抽油機(jī)改造項(xiàng)目平均節(jié)能率重新進(jìn)行計(jì)算，并且在更換永磁電動(dòng)機(jī)的13臺(tái)抽油機(jī)中挑選出沖程、沖速及油井產(chǎn)液量、動(dòng)液面等運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)不大3口井，采用平均噸液百米單耗計(jì)算平均節(jié)能率（表3）。

由表3可知，采用累計(jì)節(jié)電功率法計(jì)算15臺(tái)抽油機(jī)更換高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)的平均有功節(jié)能率為13.47%，13臺(tái)抽油機(jī)更換永磁電動(dòng)機(jī)的平均有功節(jié)能率為8.75%，3臺(tái)更換永磁電動(dòng)機(jī)后運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)不大的抽油機(jī)平均有功節(jié)能率為8.72%；采用平均噸液百米單耗計(jì)算3臺(tái)更換永磁電動(dòng)機(jī)后運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)不大抽油機(jī)的平均有功節(jié)能率為7.94%。

從上述計(jì)算結(jié)果看，采用累計(jì)節(jié)電功率法計(jì)算的平均有功節(jié)能率，與所采用節(jié)能技術(shù)的理論節(jié)能率基本對(duì)應(yīng)，沒有出現(xiàn)不合理的矛盾現(xiàn)象。并且，3臺(tái)更換永磁電動(dòng)機(jī)后運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)不大的抽油機(jī)平均有功節(jié)能率與13臺(tái)抽油機(jī)總體的平均節(jié)能率非常相近，而且采用平均噸液百米單耗與采用累計(jì)節(jié)電功率法計(jì)算的平均有功節(jié)能率也比較接近，符合理論分析結(jié)果。

4 結(jié)論

采用累計(jì)節(jié)電功率法計(jì)算抽油機(jī)的平均節(jié)能率，是根據(jù)節(jié)能的基本定義直接計(jì)算節(jié)能率的方法，其核心內(nèi)涵是節(jié)能率的加權(quán)平均。該方法可以有效避免其他計(jì)算方法可能產(chǎn)生的與節(jié)能技術(shù)不對(duì)應(yīng)、不合理或矛盾的計(jì)算結(jié)果，是全面、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)節(jié)能技術(shù)或節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果的有效方法。抽油機(jī)變工況下的平均節(jié)能率也同樣可以參照此方法進(jìn)行計(jì)算。

[1]石油工業(yè)節(jié)能節(jié)水專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).石油工業(yè)用節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定：SY/T 6422—2016[S].北京：石油工業(yè)出版社，2016：2-3.

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[6]蘇小雨，姚安梅.游梁式抽油機(jī)兩種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的對(duì)比[J].沿海企業(yè)與科技，2009（4）：40-42.

[7]石油工業(yè)節(jié)能節(jié)水專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計(jì)算方法：SY/T 5264—2012[S].北京：石油工業(yè)出版社，2012：10-11.