雙碳目標下機采節能設備優選與合理應用研究

賈雪峰 薛國鋒（吉林油田公司）

隨著國家雙碳戰略目標的確定，各企業積極響應國家號召，主動承擔社會責任。油田作為能源生產和消耗大戶，在保障國家能源安全的同時，積極規劃、主動推進、大力實施碳中和措施。目前碳中和措施主要包括節約能源、清潔替代、碳埋存和匯林工程，而四項措施的基礎是節約能源，節能是最大的減排。油田機采系統以耗電為主，占油田總耗電的60%以上，做好機采系統節能工作，對于碳中和意義重大。機采節能設備種類繁多、原理各異、節能效果也存在差異。為優選效果較好的節能設備、科學界定應用環境、提高節能設備應用效果，達到最大限度減排，開展了該項研究。

1 總體思路

機采系統節能主要通過應用節能設備、優化設備運行參數、提高設備運行效率來實現[1]。油田機采系統常用的節能設備包括節能電動機、配電箱、變頻器等[2]。針對油田現場實際，優選了常用的15種設備，包括8種電動機、5種配電箱、2種變頻器，應用節能評價模擬井，對其進行了綜合評價[1]。

評價節能設備，以普通異步電動機和常規配電箱為對比基礎，通過應用模擬井調整供電電壓、油壓、套壓、沖次等參數，測試安裝節能設備前后配電箱輸入端、電動機輸入端電參數變化，對比各工況下設備的節能效果，給出評價結論。

2 評價方法

電動機評價，選擇普通三相異步電動機作為對比對象，其他電動機以該電動機作為參考，評價不同工作制度和工作環境下節能效果[3]。配電箱評價，選擇模擬井本身的常規電控作為對比對象，其他配電箱與其對比，評價不同配電箱的節能效果。變頻器評價，因為變頻器的主要作用是調參節能，主要評價變頻器的工作特性，以及對電網的影響情況，同時對比皮帶輪調參評價是否有節能效果。交叉評價，對每種設備單獨評價的同時，對可以交叉使用的設備，評價兩種設備共同應用效果，了解設備的組合應用可能性。

3 評價結果

3.1 節能電動機

3.1.1 同一工作制度下不同類型電動機節能效果對比

應用模擬井測試設備，在同一口油井，應用不同的電動機進行舉升拖動，在工作環境不變的情況下，得出如下測試結果。對比普通異步電動機，雙速電動機不但沒有節能效果，耗能量還高于三項異步電動機，超高轉差電動機和稀土電動機，在負載率20%以上的情況下，節能均達到10%以上，稀土電動機節能效果好于超高轉差電動機，達到13.34%。通過優選節能設備，可提高減碳量達到13%以上，同一工作制度下不同類型電動機節能效果對比見表1。

表1 同一工作制度下不同類型電動機節能效果對比

3.1.2 不同負載率下不同電動機節能效果對比

油井工作參數包括沖程和沖次，常規四連桿抽油機，調整沖次相對容易實現，通過調整沖次，可以模擬油井不同的工作制度，間接調整電動機的負載率，評價電動機在不同功率利用率下節能效果。通過表2測試數據對比可以看出。在同一工作制度下，與普通異步電動機比較，除了雙速電動機，其它電動機均有節能效果，而且節能效果隨著負載率的降低出現規律性變化。

表2 不同負載率電動機節能效果對比

其中雙速電動機隨著負載率的降低能耗越來越高；超高轉差電動機隨著負載率的降低節能效果越來越差，負載率低于15%時，沒有節能效果；稀土電動機隨著負載率的降低，節能效果越來越好，在評價的參數下，最高節能達到16.88%。

3.1.3 同一電動機不同裝機功率能耗對比

通過應用模擬井測試，對比同一工作制度下，不同裝機功率高轉差電動機能耗情況，超高轉差電動機節能效果對比見表3。根據測試數據對比，發現同一口井，裝機功率越低的油井能耗越低，說明合理選擇裝機功率可以有效提高功率因數，降低能耗。減碳幅度可以達到6%以上。

表3 超高轉差電動機節能效果對比

3.1.4 工作電壓對稀土電動機影響評價

稀土電動機是節能效果較好的電動機，但是也有一定的應用環境限制，比如電壓對稀土電動機影響較大，在額定電壓附近功率因數最高能耗最小，功率因數可以達到0.95以上。工作環境電壓偏離額定電壓，功率因數變小，能耗增加。因此應用稀土電動機，一定注意保證其盡量工作在額定電壓工況下。合理應用環境可以提高減碳效果達到7%，稀土電動機評價見表4。

表4 稀土電動機評價

3.2 節能控制裝置

由于機采系統舉升設計，充分考慮油井的各種工況和不同的舉升階段，油井開采初期產量較高，因此設計的電動機裝機功率較大。隨著油田開發進入中后期，部分油井出現產量下降，導致出現“大馬拉小車”問題。合理降低電動機裝機功率，可以實現節能效果，在不改變電動機的情況下，也可以通過“角星轉換”變頻器的方式來降低能耗。但是每種節能控制裝置都有合理的應用環境，科學評價、合理應用節能控制裝置，可以有效提高節能效果[4-5]。

3.2.1 星角轉換型

通過測試評價，星角轉換裝置具有一定節能效果，但是也有一定的應用環境限制，對于負荷率較高的油井，不具有節能效果，合理優選“大馬拉小車”的油井，可以實現減碳4%以上。同時電壓的變化也影響控制效果，由于大部分油井都是一臺變壓器帶多臺抽油機，對于供電半徑較大的油井，由于線路壓降原因，導致末端電壓降低，節能效果也隨之變差，因此電壓是影響減碳效果的較為敏感的因素，星角轉換節能效果對比見表5。

表5 星角轉換節能效果對比

3.2.2 變頻器

變頻器是通過改變頻率的方式控制電動機轉速，實現調整抽油機沖次實現節能。主要通過對比測試皮帶輪和變頻器調整到同樣工作制度下的能耗情況，分析兩者能耗差異；測試變頻器輸入端、電動機輸入端能耗，評價變頻器自身能耗；通過調整供電電壓，測試變頻器在不同工作環境下的節能效果差異。

通過對表6測試數據分析，用皮帶輪和變頻器調參，在達到同樣沖次情況下，皮帶輪調參能耗低于變頻器調參能耗，說明變頻器自身有能耗；在保證頻率不變的情況下，調整供電電壓，電壓越低能耗越小，變頻器自身能耗基本保持不變[6]。

表6 變頻器評價效果

4 節能效果對減碳的影響

在“雙碳”目標下，“開源節流”是關鍵，“開源”是從源頭控制，在機采系統舉升設計中，采用清潔能源作為舉升動力，比如太陽能、風能，可以實現零碳排放，但是由于目前技術的成熟度、經濟性等問題，無法大面積推廣應用。“節流”就是通過提高設備運行效率，提高節能效果，實現減碳。對于新投產的油井，在方案設計過程中，通過優選節能舉升方式、應用高效設備實現源頭控制減碳；對于老井，可以通過優化工作制度、應用節能改造設備，合理降低油井能耗，實現減碳。

以機采系統耗電量每年70000×108kWh，通過加強管理、優化運行、合理應用節能設備等措施，按節能5%計算，節能量可以達到3500×106kWh，減碳規模可以達到27191t/a。相當于約9000輛2.0L排量汽車行駛1萬公里碳排放量[7]。

5 結論

合理應用機采系統節能設備，科學確定應用環境，可以有效提高設備節能效果，達到最大限度的減少碳排放，從源頭控制碳排放規模，助力國家“雙碳”目標的實現。

通過本次評價，機采節能設備應用過程中，以下幾方面結論可以借鑒：

1）雙速電動機是非節能電動機，同工況下其耗電量高于普通異步電動機，除非有特殊的需求，盡量避免應用雙速電動機。

2）稀土電動機節能效果明顯，但應該注意應用環境，對于電壓不穩定的區塊和油井不適合應用稀土電動機；同時稀土電動機的節能效果與負載率有關，電動機負載率越小節能效果越好；稀土電動機功率因數高，整條線路改造，既可以節能，同時還可以降低網損，效果更為明顯。

3）高轉差電動機合理應用有節能效果，其節能效果隨電動機負載率的降低，節能效果變差，達到15%以下，基本沒有節能效果；由于轉差率高，特性軟，該電動機還有減少桿管磨損，提高免修器等作用。

4）節能配電箱主要解決的是“大馬拉小車”問題，如果電動機負載率比較高，那么節能配電箱的基本沒有節能效果。

5）變頻器在調參的情況下有節能效果，主要是由于降低工作制度的原因，變頻器本身也有耗電，因此，如果能夠用皮帶輪調參，盡量不要采用變頻調參[8]。