老油田注采輸核心設(shè)備節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用

王海生 孟祥濤 向明東

(中國(guó)石化中原油田分公司安全環(huán)保處)

0 引 言

老油田進(jìn)入開發(fā)中后期后，含水上升，產(chǎn)能遞減，生產(chǎn)規(guī)模與地面配套工藝不匹配，設(shè)備老舊、高耗低效，單位產(chǎn)品能耗逐年上升，難以滿足國(guó)家綠色發(fā)展戰(zhàn)略和“百千萬”行動(dòng)中能耗總量和強(qiáng)度“雙控”的節(jié)能目標(biāo)考核要求。某老油田結(jié)合自身油藏和生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，圍繞機(jī)采、注水、集輸?shù)扔吞镏饕孛媾涮坠に囅到y(tǒng)核心設(shè)備，以關(guān)鍵技術(shù)為引領(lǐng)，通過創(chuàng)新應(yīng)用永磁復(fù)合電機(jī)直驅(qū)抽油機(jī)技術(shù)、永磁調(diào)速技術(shù)、大排量對(duì)置式柱塞泵技術(shù)、計(jì)量站真空相變加熱爐等節(jié)能減排新技術(shù)，不斷提升抽油機(jī)、注水泵、加熱爐等油田核心設(shè)備本質(zhì)節(jié)能水平，助推老油田提質(zhì)增效，全面可持續(xù)和高質(zhì)量發(fā)展，取得了明顯成效。

1 永磁復(fù)合電機(jī)直驅(qū)抽油機(jī)技術(shù)

游梁式抽油機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、檢(維)修方便，在油田機(jī)械采油裝置中占主導(dǎo)地位，達(dá)到95%以上。但因啟動(dòng)靜負(fù)荷扭矩大，配套電動(dòng)機(jī)額定功率遠(yuǎn)大于實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)功率，電動(dòng)機(jī)功率利用率僅為20%，空載損失大，加之皮帶輪、減速齒輪箱、四連桿機(jī)構(gòu)等中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)能量損失，地面系統(tǒng)效率不超過70%。其中電動(dòng)機(jī)、皮帶輪、齒輪箱、四連桿機(jī)構(gòu)的效率分別為80%，90%，91%，95%。因此，減少抽油機(jī)傳動(dòng)環(huán)節(jié)損失，使用大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的高效電動(dòng)機(jī)是目前游梁式抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)攻關(guān)方向之一。

針對(duì)傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)傳動(dòng)環(huán)節(jié)多、電動(dòng)機(jī)功率利用率低、能耗損失大等問題，某油田應(yīng)用了永磁復(fù)合電機(jī)直驅(qū)抽油機(jī)技術(shù)[1]。通過永磁復(fù)合電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，取消了傳統(tǒng)的三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、皮帶和減速齒輪箱，減少了傳動(dòng)損失。永磁復(fù)合電機(jī)采用了永磁電動(dòng)機(jī)、磁性齒輪(見圖1)復(fù)合封裝技術(shù)。永磁電機(jī)與磁性齒輪共用一個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)子，內(nèi)轉(zhuǎn)子磁鋼由電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)，外轉(zhuǎn)子連接負(fù)載輸出，利用磁場(chǎng)調(diào)制的原理，經(jīng)調(diào)磁環(huán)將高速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)調(diào)制成低速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩輸出。

圖1 磁性齒輪結(jié)構(gòu)示意

技術(shù)特點(diǎn)：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子采用無接觸式傳遞轉(zhuǎn)矩，不存在機(jī)械磨損，無需潤(rùn)滑，運(yùn)行效率大于85%；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低，采用圓柱滾子軸承，徑向承載能力高，壽命高于機(jī)械齒輪箱；直驅(qū)游梁式抽油機(jī)只有一個(gè)曲柄連桿旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，機(jī)械傳動(dòng)損失小，機(jī)械振動(dòng)小。

某油田對(duì)10臺(tái)游梁式抽油機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，按照原減速齒輪箱體積規(guī)格設(shè)計(jì)電機(jī)的主軸及底座，額定功率33 kW，額定扭矩53 kN·m，額定轉(zhuǎn)速6 r/min，拆除三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、皮帶輪和減速齒輪箱，在原減速齒輪箱基座上安裝永磁復(fù)合電機(jī)，直接驅(qū)動(dòng)曲柄帶動(dòng)抽油機(jī)上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)提液，配套變頻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)沖次6次/min以內(nèi)的無級(jí)差調(diào)參。改造后能效測(cè)試對(duì)比，抽油機(jī)的系統(tǒng)效率提高了4百分點(diǎn)，百米噸液耗電下降了22.02%，日平均單井節(jié)電49.7 kW·h，年節(jié)電18×104kW·h，減少溫室氣體排放94 tCO2e。

2 永磁調(diào)速技術(shù)

油田某清水站建有6臺(tái)離心水泵，單臺(tái)清水泵設(shè)計(jì)供水能力600 m3/h，電動(dòng)機(jī)功率132 kW。由于清水需求量波動(dòng)大，在450～900 m3/h之間，大部分時(shí)間需啟用兩臺(tái)清水泵供水。為保證供用水平衡，超過三分之一的盈余水量通過超壓回流線返回到清水罐，清水泵做了大量無用功。

針對(duì)水量波動(dòng)大、供需不匹配的問題，通常采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行供水量調(diào)節(jié)，避免泵打回流造成能量浪費(fèi)。但由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境潮濕、空間狹小等因素影響，變頻器故障率高，維護(hù)工作量大，無法穩(wěn)定運(yùn)行。通過技術(shù)比選，采用對(duì)惡劣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的永磁調(diào)速技術(shù)[2]對(duì)離心泵調(diào)速節(jié)能，滿足生產(chǎn)需要。技術(shù)比選情況見表1。

表1 技術(shù)比選

清水站對(duì)兩臺(tái)清水泵進(jìn)行了永磁調(diào)速改造，永磁驅(qū)動(dòng)器安裝在原電機(jī)與泵的聯(lián)軸器處。工作時(shí)，根據(jù)用水負(fù)荷變化情況，通過PLC控制器控制電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)主動(dòng)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和從動(dòng)導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子的耦合面積來調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)離心泵自動(dòng)調(diào)節(jié)供水量，保證供用水平衡，節(jié)約清水泵耗電量。同時(shí)將電機(jī)與水泵的連接由硬連接變?yōu)檐涍B接，實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)振動(dòng)磨損，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。控制原理見圖2。

圖2 永磁驅(qū)動(dòng)控制原理

改造后，全站用水量在485～650 m3/h的情況下，一臺(tái)配套永磁調(diào)速技術(shù)的清水泵即可滿足供水要求。經(jīng)節(jié)能測(cè)試，有功節(jié)電率為15.8%，年節(jié)電25.5×104kW·h，減少溫室氣體排放134 tCO2e。

3 大排量對(duì)置式柱塞泵替代離心泵改造技術(shù)

某油田注水系統(tǒng)主要采取二級(jí)增壓注水方式。油井產(chǎn)出水經(jīng)處理后，經(jīng)污水站離心泵一級(jí)提壓后供給增注泵站，再經(jīng)增注泵站柱塞泵二級(jí)提壓，最后經(jīng)配水閥組分配到各注水井注入地層驅(qū)油，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出水回注零排放。注水工藝流程示意見圖3。

圖3 注水工藝流程示意

隨著油田生產(chǎn)情況的變化，注水系統(tǒng)注水量需求與工藝不匹配、老舊設(shè)備高耗低效等問題日趨嚴(yán)重。測(cè)試結(jié)果表明，注水系統(tǒng)能量利用率為52.4%，泵機(jī)組效率為71.1%，泵機(jī)組能量損失是注水系統(tǒng)中損失最多的環(huán)節(jié)。在注水系統(tǒng)效能提升改造中，關(guān)鍵設(shè)備注水泵的選型至關(guān)重要[3]。目前主要是離心泵和柱塞泵兩種泵型，離心泵的優(yōu)點(diǎn)是排量大，維護(hù)工作量小，缺點(diǎn)是工況脫離高效區(qū)后，效率下降快，存在閥組節(jié)流能量損失；柱塞泵的優(yōu)點(diǎn)是泵效高，泵效不受排量變化影響，缺點(diǎn)是大排量(≥100 m3/h)柱塞泵國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家少，維護(hù)工作量大。針對(duì)油田注水量頻繁波動(dòng)，而工藝無法及時(shí)調(diào)整的問題，通過采用大排量對(duì)置式柱塞泵[4]替代離心泵，配套變頻調(diào)速技術(shù)(柱塞泵屬于容積泵，泵容積效率不隨運(yùn)轉(zhuǎn)頻率改變而變化，適用于變頻調(diào)速技術(shù))來提高泵機(jī)組效率。大排量對(duì)置式柱塞泵結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 對(duì)置式柱塞泵結(jié)構(gòu)

技術(shù)特點(diǎn)：泵的兩個(gè)液力端完全水平布置在曲軸的對(duì)邊，運(yùn)轉(zhuǎn)中一邊的柱塞運(yùn)動(dòng)回程中產(chǎn)生的慣性作用到曲軸上，傳遞到對(duì)邊的柱塞形成動(dòng)力。與單邊柱塞泵相比，泵機(jī)組效率提高5%左右；一根曲軸帶動(dòng)兩個(gè)液力端工作，解決了往復(fù)式柱塞泵排量、壓力越大，體積越大的矛盾，相比同排量的單邊柱塞泵，縮小了泵的體積；曲軸運(yùn)行一周沒有空行程，整個(gè)運(yùn)行過程受力均勻，相對(duì)于單邊柱塞泵，運(yùn)行更加平穩(wěn)。

某油田實(shí)施了大排量對(duì)置式柱塞泵替代離心泵改造。改造前，注水站運(yùn)行3臺(tái)離心泵，額定排量分別為140，350，250 m3/h，無法滿足260～330 m3/h的配注需求，且離心泵投運(yùn)近10年，運(yùn)行效率僅為71%，導(dǎo)致注水系統(tǒng)標(biāo)耗較高，注水標(biāo)耗0.47 kW·h/(m3·MPa)，比同類注水站高0.07 kW·h/(m3·MPa)。為此，更新兩臺(tái)7DW170/18型大排量對(duì)置式柱塞泵，額定排量170 m3/h，額定出口壓力18 MPa，電動(dòng)機(jī)采用變頻控制，配套設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。改造后，測(cè)試泵機(jī)組效率為88%，比改造前提升了17百分點(diǎn)；注水標(biāo)耗0.34 kW·h/(m3·MPa)，比改造前下降0.13 kW·h/(m3·MPa)；年節(jié)電412×104kW·h，減少溫室氣體排放2 166 tCO2e。

4 計(jì)量站真空相變加熱爐技術(shù)

油田計(jì)量站的常壓水套加熱爐擔(dān)負(fù)著油氣集輸起點(diǎn)提溫，確保各井、站生產(chǎn)的油氣正常輸送至聯(lián)合(中轉(zhuǎn))站的重要任務(wù)，是油田油氣生產(chǎn)集輸?shù)闹饕O(shè)備，耗氣量占總耗氣量的17%。測(cè)試加熱爐平均熱效率為64%，效率較低。水套加熱爐主要存在如下問題：運(yùn)行負(fù)荷率低，平均為50%～60%；燃燒效率低，手動(dòng)調(diào)節(jié)燃燒器不能根據(jù)油井產(chǎn)出液變化自動(dòng)調(diào)整燃燒器負(fù)荷和配風(fēng)量；安全性能低，缺乏熄火保護(hù)、液位監(jiān)測(cè)安全監(jiān)控裝置等[5]。

隨著油田安全生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化水平的提高，迫切需要一種高效節(jié)能、安全可靠的原油集輸加熱設(shè)備，以適應(yīng)油田發(fā)展的需要。結(jié)合計(jì)量站集輸工藝特點(diǎn)，應(yīng)用適合油田計(jì)量站使用的真空相變加熱爐[6]。采用低溫相變換熱技術(shù)提高加熱爐換熱效率；采用全自動(dòng)燃燒器自動(dòng)控制出口溫度，避免過度加熱造成燃?xì)饫速M(fèi)；采用煙氣氧量閉環(huán)燃燒系統(tǒng)控制過?？諝庀禂?shù)，提高燃?xì)馊紵?；燃燒器具有自?dòng)吹掃、自動(dòng)點(diǎn)火、連續(xù)火焰檢測(cè)、熄火保護(hù)裝置以及燃?xì)怆姶砰y檢漏保護(hù)等功能，保證燃燒系統(tǒng)安全可靠；燃料氣凈化裝置對(duì)油井產(chǎn)出濕氣凈化，保證了氣源質(zhì)量和燃燒器工作穩(wěn)定，解決了濕氣計(jì)量的難題；凈化后殘液經(jīng)齒輪泵密閉外輸干線，杜絕了就地排放帶來的安全隱患和環(huán)境污染。

某油田在8座計(jì)量站應(yīng)用了真空相變加熱爐，平均熱效率90.1%，提高了26.1百分點(diǎn)；平均空氣系數(shù)由4.04降到1.09，降低2.95；加熱爐爐體外表面平均溫度由34.8℃降到19.9℃，降低14.9℃；加熱爐噸液耗氣量平均值由2.78 m3降到1.88 m3，降低0.90 m3。年節(jié)約燃?xì)?9.8×104m3，減少溫室氣體排放644 tCO2e。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

老油田地面配套系統(tǒng)已經(jīng)成型，通過傳統(tǒng)的節(jié)能改造，提升現(xiàn)有生產(chǎn)耗能系統(tǒng)的能效，投入比較大，且節(jié)能減排效果不理想。因此，必須從傳統(tǒng)思維里走出來，立足系統(tǒng)層面，找出主要能效“瓶頸”環(huán)節(jié)，研究應(yīng)用節(jié)能減排前沿技術(shù)，突破油田主要耗能系統(tǒng)能效提升困境，實(shí)現(xiàn)油田效益最大化。

1)永磁復(fù)合電機(jī)技術(shù)、永磁調(diào)速技術(shù)采用無接觸式傳遞扭矩，解決了傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)能量損失大的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)、水泵等主要耗能設(shè)施的無級(jí)調(diào)速，滿足了油田生產(chǎn)工況頻繁變化、動(dòng)態(tài)調(diào)參的需要，適合油田防爆要求高、外部環(huán)境惡劣的場(chǎng)所。

2)大排量對(duì)置式柱塞泵配套變頻控制技術(shù)解決了離心泵機(jī)組效率低、注水量頻繁波動(dòng)而工藝無法及時(shí)調(diào)整的技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了油田注水系統(tǒng)能效大幅提升。在實(shí)際應(yīng)用過程中，要摸索柱塞等易損件的使用壽命，考慮生產(chǎn)的連續(xù)性，建立定期維護(hù)保養(yǎng)工作制度。

3)計(jì)量站真空相變加熱爐爐體在負(fù)壓或微正壓狀態(tài)加熱，運(yùn)行更安全、更高效；對(duì)加熱介質(zhì)和熱傳導(dǎo)介質(zhì)參數(shù)、燃燒狀態(tài)實(shí)施監(jiān)測(cè)和閉環(huán)監(jiān)控，進(jìn)一步提高安全系數(shù)和運(yùn)行效率；符合油田當(dāng)前安全生產(chǎn)、節(jié)能減排形勢(shì)，在油田集輸系統(tǒng)中具有推廣應(yīng)用價(jià)值。