自動化儀器儀表在油田生產(chǎn)節(jié)能中的應(yīng)用

齊照慶（大慶油田自動化儀表有限公司）

隨著無線通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)等先進(jìn)科技的發(fā)展，自動化儀器、儀表設(shè)備在油田生產(chǎn)建設(shè)中起到的作用更加無法替代，因其具備較高的效率性、智能性、準(zhǔn)確性等特點(diǎn)，取代傳統(tǒng)的人工儀表已成為必然的趨勢。自動化儀表設(shè)備在無線通訊等技術(shù)的支持下，已形成的自動化控制系統(tǒng)，從感知層的各類傳感器到通訊層再到上位機(jī)數(shù)據(jù)處理層，已向著智能化、智慧化、大數(shù)據(jù)的時(shí)代發(fā)展，從而大大提高了生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，降低了人工成本和生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，在油田生產(chǎn)中有著重要的作用，也得到了大范圍的安裝及應(yīng)用，但在應(yīng)用的過程中，因多種因素影響造成了大量的能源損耗，例如：在流體輸送時(shí)，由于流體特性及管道的影響，自動化設(shè)備會產(chǎn)生較大的阻力，導(dǎo)致電力能源損耗加大，據(jù)調(diào)查因流體阻力損耗的電力約占總耗電的20%。由此可見，如果能在油田的生產(chǎn)中采取行之有效的節(jié)能措施，對降低自動化儀表的能源損耗具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 自動化儀器儀表及節(jié)能的相關(guān)概念

作為油田生產(chǎn)系統(tǒng)中不可或缺的一部分，儀器儀表在油田各環(huán)節(jié)十分重要，充分體現(xiàn)了其顯示、檢測準(zhǔn)確、控制各類參數(shù)、安全連鎖保護(hù)、數(shù)據(jù)分析等作用，在保證生產(chǎn)的同時(shí)在生產(chǎn)的指揮上也有著重大的指導(dǎo)意義。在儀表的實(shí)際使用過程中，如果設(shè)備能一直處于穩(wěn)定可靠的狀態(tài)，就可以更科學(xué)、高效的掌控生產(chǎn)的全過程，并且隨著信息化的發(fā)展，無線傳輸技術(shù)、大數(shù)據(jù)集成處理、各類預(yù)警功能的應(yīng)用，在油田生產(chǎn)的緊急情況下可以對事件進(jìn)行提前判斷并有效控制，因此，眾多油田單位都將自動化儀表做為了解并控制油田生產(chǎn)的一個(gè)重要手段。

通過對油田自動化儀表節(jié)能開展分析，其本質(zhì)是指在滿足相關(guān)要求的基礎(chǔ)上通過計(jì)算、控制管理等多種手段，綜合考慮經(jīng)濟(jì)條件、生產(chǎn)技術(shù)及環(huán)境等多方面因素，進(jìn)而充分提高油田產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益及能源利用率。事實(shí)上，就實(shí)現(xiàn)油田自動化儀表節(jié)能來說，其本質(zhì)上涵蓋了頂層設(shè)計(jì)、方案分析、產(chǎn)品選型、安裝調(diào)試、系統(tǒng)維護(hù)以及后續(xù)方案的改進(jìn)與優(yōu)化在內(nèi)幾個(gè)方面的內(nèi)容，而這幾個(gè)方面在一定程度上也是互相依托、相輔相成、缺一不可。但是，如何衡量油田自動化儀表節(jié)能是否達(dá)到了節(jié)能的效果，所參考的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)或參數(shù)是什么呢，這就不得不提到一個(gè)概念-節(jié)能量。而所謂的節(jié)能量顧名思義就是在一定時(shí)期內(nèi)節(jié)約的能源數(shù)量，換言之，也就是完成同一個(gè)任務(wù)量時(shí)，所節(jié)省下來的能源消耗[1]。

2 油田自動化儀表節(jié)能的有效措施

針對目前油田在用儀表的實(shí)際使用情況來看，自動化儀表存在著很大的節(jié)能潛力，為將儀表的節(jié)能效果發(fā)揮出來，提出以下幾個(gè)措施，以達(dá)到與國家節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略相符合的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1 對自動化儀表的傳輸阻力進(jìn)行有效控制

在油田各項(xiàng)生產(chǎn)和現(xiàn)場操作過程中，由于自動化儀表與地面流體發(fā)生了直接接觸，所以不可避免會產(chǎn)生相應(yīng)的阻力，隨著阻力的增大，消耗的能量也會增大。流體在線路傳輸?shù)倪^程中，介質(zhì)與流量儀表及閥組之間產(chǎn)生的阻礙占的比重相對較高，因此，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的關(guān)鍵方法是降低儀表對介質(zhì)傳輸?shù)淖璧K。

1）在各種流量測量裝置中增大節(jié)流裝置的直徑比，在油田的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，廣泛的應(yīng)用了節(jié)流裝置，使用的范圍約為三分之二。從流體的性質(zhì)來講，其本身是具有一定黏性的，因此，當(dāng)液體傳輸經(jīng)過節(jié)流器件時(shí)，節(jié)能件形成的漩渦以及克服摩消耗掉了較多的能量，并且液體的靜壓力在傳輸過程中，通過節(jié)流裝置后也會存在相應(yīng)的壓力損失，且不能完全恢復(fù)[2-3]。這就可以說明，壓力損失、直徑比兩者之間是反比的關(guān)系，也就是說想要減少壓力損失，就需要使相應(yīng)的直徑比增大，才能達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。

2）通過對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制達(dá)到節(jié)能的目的，那么如何對優(yōu)化使用調(diào)節(jié)閥呢，首先引入一個(gè)調(diào)節(jié)閥的閥阻比的概念，具體涵義是指的是在閥體全開的狀態(tài)下，壓力降低的值與管路總體壓力降低的比值，用S表示，其數(shù)值越大，就表示損失在閥上的能量越多。按照實(shí)際使用情況測算S值即閥組比的取值通常的范圍在0.3～0.5，在介質(zhì)為氣體時(shí)，閥組比相對較高，會高于0.5。在油田的生產(chǎn)中我們利用調(diào)節(jié)閥控制流量，通過減低調(diào)節(jié)閥的閥阻比，可大大降低應(yīng)用過程中機(jī)泵運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電力消耗，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2.2 充分利用交流變頻技術(shù)

一般來講，在石油、工業(yè)的生產(chǎn)指揮自動化系統(tǒng)中，為滿足控制離心泵出口流量的需求，所使用的調(diào)節(jié)器需要根據(jù)工況設(shè)定最佳PID值進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，進(jìn)而對調(diào)節(jié)閥的開度流量起到相應(yīng)的控制效果。但需要注意的是，這種在規(guī)律下進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的調(diào)節(jié)方案是存在一定缺陷的。主要可以體現(xiàn)在兩點(diǎn)：第一，節(jié)能性較差，這種是以變阻力元件為主要元配件進(jìn)行工作調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)器裝置，其本身是存在一定能量損耗的；第二，經(jīng)濟(jì)性較小，因?yàn)樵撗b置下，離心泵的出口側(cè)面設(shè)置有截止閥，用以配合調(diào)節(jié)閥的正常運(yùn)行，這就限制了泵的選擇，要求所選用的離心泵必須要具備較大的額定功率，以滿足負(fù)荷不斷變化的動力需求，這就會造成一定的功率浪費(fèi)，同時(shí)也不利于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)方案。

為此，若能針對這一問題進(jìn)行相應(yīng)的改革與完善，就能夠起到較好的節(jié)能效果。而當(dāng)前不斷發(fā)展的電子科技技術(shù)與信息技術(shù)正好為我們提供了有力的技術(shù)支持。在電子科技的推動下，變頻節(jié)能調(diào)速器逐漸被研發(fā)并被廣泛應(yīng)用在各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。這是因?yàn)樽冾l調(diào)速器具有很好的節(jié)能效果，且更加經(jīng)濟(jì)方便，極大的提高了設(shè)備的運(yùn)行效率。在工業(yè)化工生產(chǎn)系統(tǒng)中的調(diào)速器，同樣可以充分利用高性能的變頻技術(shù)來改善其調(diào)節(jié)方案。即實(shí)用變頻調(diào)速器來控制泵的出口流量（圖1）。使用交流變頻調(diào)速器的優(yōu)越性主要可以體現(xiàn)在三點(diǎn)：其一，安裝方式具有非接觸、無阻力的特點(diǎn)；其二，控制的過程是由變頻調(diào)速器對泵的轉(zhuǎn)速直接進(jìn)行控制，能夠更容易對流量進(jìn)行有效的控制；其三，采用了大范圍無級調(diào)速，調(diào)節(jié)效果會更好，省去了調(diào)節(jié)閥等一系列環(huán)節(jié)減少了外部的影響因素。按照原則選用機(jī)泵以及調(diào)節(jié)閥上的壓降，通過變頻控制器共同組成調(diào)節(jié)系統(tǒng)，提高整體的效率，這種方式預(yù)計(jì)能夠減少電能消耗約30%，而對于那些原有機(jī)泵選擇過盈量太多，或者機(jī)泵在生產(chǎn)時(shí)低負(fù)荷運(yùn)行的，節(jié)能效果相對而言更佳顯著。

圖1 變頻調(diào)速控制

2.3 選擇無壓損或低壓損的自動化儀表使用

在測試流體流量時(shí)，節(jié)能裝置在其實(shí)際測試過程中存在的壓損較大，而節(jié)能裝置的使用率很高，約為70%。伴隨著社會的發(fā)展，環(huán)保和節(jié)能已經(jīng)成為了當(dāng)代的主題詞，因此，在工業(yè)領(lǐng)域，無壓損和低壓損儀表得到了廣泛關(guān)注。尤其是近幾年，旋進(jìn)旋渦流量計(jì)和笛形均速管流量計(jì)的應(yīng)用效果比較好，優(yōu)勢顯著。其具有造價(jià)低廉、壓損微小和安裝方便的特點(diǎn)，受到各油田一線操作人員的好評。因此，儀表的選擇是油田設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在考慮儀表性能的同時(shí)要兼顧節(jié)能，而通過研發(fā)和革新，制造出更加環(huán)保、節(jié)能的儀表也成為的儀表行業(yè)的一個(gè)新的發(fā)展方向。

2.4 對自動化儀表的運(yùn)行方案進(jìn)行優(yōu)化

優(yōu)化安裝位置，對調(diào)節(jié)閥合理布局，為了使調(diào)節(jié)閥的壓損降低，可以考慮將調(diào)節(jié)閥安裝在換熱器之后（圖2），因產(chǎn)生的大部分壓降是在流量調(diào)節(jié)閥上產(chǎn)生的，其過程是物料先經(jīng)預(yù)熱器的預(yù)熱，再通過閃蒸罐進(jìn)行閃蒸。將調(diào)節(jié)閥布置在閃蒸罐的入口處，這樣可以有效的控制換熱器物料的氣化。

而如果將調(diào)節(jié)閥在安裝換熱器之前，在操作過程中調(diào)節(jié)閥自身會存在壓損（圖3），同時(shí)會降低物料在進(jìn)入換熱器時(shí)產(chǎn)生的壓力，而在換熱器內(nèi)進(jìn)行加熱所用的蒸汽量也會隨之降低，因此，對裝置的合理布局，在一定程度和情況下可以起到明顯的節(jié)能效果[4-5]。

圖2 調(diào)節(jié)閥在換熱器之后

圖3 調(diào)節(jié)閥在換熱器之前

2.5 數(shù)字化油田建設(shè)對節(jié)能的效果

當(dāng)今的時(shí)代，是信息的時(shí)代，那么在實(shí)際的油田生產(chǎn)中，更好的引入和運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云平臺、無線通訊、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)處理等概念，并將其應(yīng)用在抽油機(jī)井及各計(jì)量間當(dāng)中十分重要，且對合理下達(dá)生產(chǎn)指令有著非常巨大的意義。

抽油機(jī)井是油田作業(yè)的重要工具，其種類繁多，而抽油機(jī)設(shè)計(jì)的運(yùn)行參數(shù)不能完全與井口的實(shí)際情況進(jìn)行匹配，在不同油井不同負(fù)荷的情況下，如何調(diào)整抽油機(jī)的狀態(tài)，使兩者參數(shù)最大可能的達(dá)到統(tǒng)一，使抽油機(jī)的工作狀態(tài)保持在最佳水平，最大限度的提高其工作能力，做到低碳開發(fā)，保證節(jié)能開采，這是問題的關(guān)鍵所在。

數(shù)字化抽油機(jī)是集數(shù)據(jù)采集、傳輸和遠(yuǎn)程控制多種功能于一體的多功能抽油機(jī)，配有多種數(shù)字化設(shè)備，主要包括：數(shù)字化抽油機(jī)智能控制柜、三項(xiàng)電參采集器、電動機(jī)變頻控制、一體化載荷懸繩器、傳感器、平衡調(diào)節(jié)裝置等這些設(shè)備共同承擔(dān)著對油井參數(shù)進(jìn)行采集、傳輸、數(shù)據(jù)分析、對抽油機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停控制對抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警，根據(jù)井口參數(shù)，對最佳的沖速進(jìn)行判斷、調(diào)節(jié)，利用動平衡達(dá)到節(jié)約能源的目的，通過無線傳輸，將后臺分析的結(jié)果轉(zhuǎn)化成信號，傳遞給變頻器，通過調(diào)整將電動機(jī)的輸入頻率調(diào)整到最佳狀態(tài)，使抽油機(jī)平衡效果更好，驅(qū)動電動機(jī)使用壽命更長，功率更小，提高生產(chǎn)效率的同時(shí)節(jié)約了人工、電量消耗等成本，減少了設(shè)備損耗和維修費(fèi)用[6]。

通過實(shí)際測算，數(shù)字化抽油機(jī)與同一型號的常規(guī)抽油機(jī)相比電動機(jī)功率因數(shù)和地面效率更高，平衡度更好，無功功率更低，這些也都表明了數(shù)字化抽油機(jī)在節(jié)能方面的作用。

3 結(jié)論

總之，今天信息時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動化儀器儀表也將成為高新技術(shù)中的一員，工業(yè)自動化儀器儀表技術(shù)已經(jīng)得到了更新，并不斷向節(jié)能減排的領(lǐng)域拓展。節(jié)能已成為普遍關(guān)注的主題，成為了我國工業(yè)發(fā)展的前提條件與方向，這關(guān)系到我國整個(gè)經(jīng)濟(jì)體系的發(fā)展，同時(shí)，也關(guān)系到企業(yè)的自身利益，環(huán)保、節(jié)能、創(chuàng)效必然是新時(shí)代企業(yè)應(yīng)該具備的基本素質(zhì)。