高含水率區(qū)塊能耗現(xiàn)狀分析及技術(shù)改造探討

陳雷（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

近幾年，在保證原油生產(chǎn)的同時，通過采取控水控液、節(jié)能技改[1-2]等綜合治理措施，A 區(qū)塊能耗水平得到改善：年耗電降幅19.55%，噸液耗電降幅0.85%；年耗氣量降幅23.5%，噸液耗氣降幅5.65%；能耗總量降幅21.81%。然而受舉升工藝[3]單一、節(jié)能設(shè)備老舊、新技術(shù)應(yīng)用規(guī)模較小等因素影響，進一步深挖節(jié)能潛力存在一定難度，需要從現(xiàn)狀中挖掘主要問題，對癥實施改造措施。

1 能耗及設(shè)備現(xiàn)狀

1.1 舉升設(shè)備

A 區(qū)塊共轄采油井1 589 口，其中游梁式抽油機井1 575 口、塔架式抽油機井10 口、地面驅(qū)動螺桿泵井4 口。平均單井日產(chǎn)液24 t，日產(chǎn)油1.3 t，泵掛深度963 m，沉沒度288 m，日耗電110.3 kWh，噸液耗電4.595 kWh/t，系統(tǒng)效率25.89%。

1.2 配套電動機、配電箱

A 區(qū)塊應(yīng)用節(jié)能型電動機1 555 臺，覆蓋率98.7%。其中，應(yīng)用年限小于15 a 的1 542 臺，平均裝機功率21.2 kW，功率因數(shù)0.85；應(yīng)用年限超過15 a 的13 臺，平均裝機功率22.8 kW，功率因數(shù)0.71。普通異步電動機20臺，平均裝機功率28.7 kW，功率因數(shù)0.6。應(yīng)用節(jié)能型控制裝置1 516 臺，覆蓋率96.25%；非節(jié)能型控制裝置59 臺，覆蓋率3.75%。

1.3 站庫設(shè)備

A 區(qū)所轄聯(lián)合站2 座，注水站6 座，中轉(zhuǎn)站15座、配水間118 座，閥組間58 座。應(yīng)用各類機泵114 臺，其中外輸泵37 臺，總裝機功率3 601 kW；注水泵23 臺，總裝機功率34 300 kW；摻水泵54臺，總裝機功率3 494 kW。應(yīng)用加熱爐91 臺，總裝機功率319.55 MW。

2 存在的問題

2.1 舉升工藝問題

1）A 區(qū)塊舉升工藝以游梁式抽油機為主，占比99%。常規(guī)游梁式抽油機受固有四連桿結(jié)構(gòu)及皮帶傳動影響，能量傳遞效率相對較低。統(tǒng)計區(qū)塊內(nèi)在用的六型機、八型機和十型機抽油機，傳動效率在75%以下，平均單井傳動效率僅72.17%，與目前新型舉升工藝塔架式抽油機（傳動效率85%以上）、半直驅(qū)抽油機（傳動效率90%以上）相比，傳動導(dǎo)致的能耗浪費15%以上。

2）普通異步電動機運行效率低、能耗高。A區(qū)塊現(xiàn)有普通異步電動機20 臺，基本為Y 系列、YB 系列電動機，屬于國家淘汰目錄中的型號，不符合《中小型三相異步電動機能效限定值及能效能級》要求。這些電動機功率因數(shù)僅0.64，平均日耗電124.464 kWh，較A 區(qū)平均水平高出14.28 kWh。部分節(jié)能電動機使用年限過長，設(shè)備機體磨損、內(nèi)部元件老化嚴重，導(dǎo)致能耗增高。A 區(qū)中使用年限超過15 a 的節(jié)能電動機有13 臺，功率因數(shù)0.71，平均日耗電120.096 kWh，較A區(qū)平均高出9.912 kWh。

配電箱工頻啟動及運行過程中，無法實現(xiàn)能量緩沖，造成電量浪費。A 區(qū)現(xiàn)有非變頻控制裝置與變頻設(shè)備相比，平均日耗電增高；變頻器使用年限較長、老舊，與正常變頻設(shè)備相比，平均日耗電增高。A 區(qū)機采配套電控裝置參數(shù)對比見表1。

3）部分井因出砂、結(jié)蠟嚴重等因素影響，井下桿柱的上、下行阻力增加。統(tǒng)計A 區(qū)20 口問題井，運行載荷變化范圍22.54～87.96 kN，消耗功率變化范圍3.565～7.824 kW，平均日耗電119 kWh。這部分井采用皮帶傳動方式不僅效率低，而且在交變載荷作用下，會加快減速軸及皮帶磨損，增大抽油機維護成本。

4）大部分平臺井采用“一井一變”的方式供電，即一口井配備一臺變壓器。由于抽油機啟動時轉(zhuǎn)矩大，單井變壓器設(shè)計余量大，導(dǎo)致高壓線路供電質(zhì)量下降，功率因數(shù)低，在0.8 kvar 以下；油井啟動運行后實際消耗功率較小，變壓器損耗增加，無功功率達到25%以上，無功損耗大。統(tǒng)計A 區(qū)三口井以上的平臺有31 個，共99 口井，每天無功損耗增加電量2 000 kWh 以上。

2.2 站庫設(shè)備問題

1）機泵。工頻啟動時電流大，且運行功率無法根據(jù)負載變化自動調(diào)節(jié)，造成能耗浪費[4-6]。低壓機泵方面，A 區(qū)現(xiàn)有站庫29 座，配套低壓機泵432臺，變頻運行409 臺，工頻運行23 臺。工頻運行設(shè)備中，無變頻控制裝置6 臺，日耗電1.5×104kWh；變頻控制裝置損壞15 臺，日耗電3.7×104kWh；機泵增容導(dǎo)致變頻不匹配2 臺，日耗電0.5×104kWh。高壓注水泵方面，AI-1 注水站高壓注水泵無變頻，注水負荷率僅81.31%，工頻運行造成能量浪費，注水單耗6.375 kWh/m3，日耗電量11.4×104kWh。

2）離心式注水泵。A 區(qū)目前有離心式注水泵13 臺，離心泵經(jīng)過長期工況運行，部分泵腔和葉輪出現(xiàn)氣蝕和腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致泵效降低[7]。目前，泵問題較為突出的有5 臺，平均效率僅在50%～60%之間，平均日耗電4.68×104kWh，與示范區(qū)平均值對比，每日多耗電0.45×104kWh。

3）加熱爐。A 區(qū)共有加熱爐91 臺，平均日耗氣量高達6.63×104m3，平均效率82.93%，低于公司節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)85%。分析影響爐效原因：一是部分燃燒器元件老化故障頻發(fā)；二是無法實時調(diào)控配風(fēng)量、燃氣流量，造成燃氣浪費；三是爐體內(nèi)部結(jié)垢，影響加熱爐火筒傳熱效果，降低了加熱爐的整體效率。

3 技術(shù)改造、推廣及優(yōu)化

3.1 技術(shù)改造

1）針對部分電動機老舊、損壞問題，對以往應(yīng)用的各類節(jié)能電動機綜合分析，選取適應(yīng)范圍廣、節(jié)電效果好的高轉(zhuǎn)矩系列節(jié)能電動機，在A 區(qū)開展電動機技術(shù)改造。對20 臺普通異步電動機和13 臺年限超過15 a 的節(jié)能電動機共33 臺進行改造，預(yù)計改造后單井日節(jié)電12.4 kWh，按照節(jié)電效益計算，投資回收期2.26 a。節(jié)能電動機對比見表2。

表2 節(jié)能電動機對比Tab.2 Comparison of energy conservation motors

2）針對部分井載荷變化幅度大、皮帶傳動損耗高的問題，選用永磁半直驅(qū)同步技術(shù)改造，將永磁電動機直接安裝于抽油機減速器輸入軸上，固定于減速箱一側(cè)，直接驅(qū)動抽油機運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)無皮帶傳動，提高傳動效率。統(tǒng)計先導(dǎo)性試驗測試效果，應(yīng)用后平均單井有功功率下降0.694 kW，有功節(jié)電率16.03%；無功功率下降2.23 kvar，無功節(jié)電率19.45%；平均日耗電減少16.65 kWh，綜合節(jié)電率16.12%，取得較好節(jié)能效果。對20 口井開展永磁半直驅(qū)同步技術(shù)改造，預(yù)計改造后單井日節(jié)電19 kWh，按照節(jié)電效益計算，投資回收期4.04 a。永磁半直驅(qū)技術(shù)應(yīng)用前后部分數(shù)據(jù)對比見表3。

表3 永磁半直驅(qū)技術(shù)應(yīng)用前后部分數(shù)據(jù)對比Tab.3 Comparison of some data before and after application of permanent magnet semi-direct drive technology

3）針對配電控制裝置工頻運行造成能量浪費問題，應(yīng)用具有變頻、電參數(shù)測試、不停機間抽等功能于一體的NPC 三電平控制技術(shù)，對非變頻及變頻器損壞無法修復(fù)的配電控制裝置進行改造。測試數(shù)據(jù)顯示，與工頻控制柜相比，應(yīng)用NPC 三電平控制柜后節(jié)電率在21.6%以上，以A 區(qū)工頻井耗電情況計算，預(yù)計改造后單井日節(jié)電可達28 kWh，按照節(jié)電效益計算，投資回收期2.53 a。此外，該設(shè)備在實現(xiàn)節(jié)能降耗的同時，還可以實現(xiàn)信息化數(shù)據(jù)傳輸。該區(qū)塊具備改造潛力井148 口，預(yù)計改造后年可節(jié)電145.1×104kWh，投資回收期2.53 a。NPC三電平配電箱內(nèi)部基本原理見圖1 。

圖1 NPC 三電平配電箱內(nèi)部基本原理Fig.1 Internal basic principle of NPC three-level distribution box

4）針對部分機泵無變頻控制問題，開展變頻改造，實現(xiàn)運行功率隨負荷自動調(diào)節(jié)，減少無功損耗。

低壓變頻改造：對A 區(qū)內(nèi)的非變頻運行機泵進行改造，計劃改造23 臺機泵，總投資161 萬元，預(yù)計改造后平均日節(jié)電0.207×104kWh，年節(jié)電62.1×104kWh，投資回收期4.07 a。

高壓注水變頻改造：對AI-1 注水站高壓注水泵進行改造，總投資260 萬元，預(yù)計改造后平均日節(jié)電0.412×104kWh，按照時率300 d 計算，年節(jié)電123.6×104kWh，投資回收期3.3 a。

5）針對離心泵長期運行[8]，泵腔和葉輪有部分的氣蝕和腐蝕現(xiàn)象，泵效降低的問題，開展主要部件涂膜改造。一是表面處理，采用噴砂機對所有需要修復(fù)的表面作噴砂處理，去除銹層、垢層等。實現(xiàn)表面干凈、清潔，并保證修復(fù)表面粗糙度達到75 μm，潔凈度達到Sa2.5。二是刷涂抗腐蝕涂層，使用Belzona 抗腐蝕涂層材料對泵需要保護面進行涂裝。計劃改造5 臺，總投資55 萬元，預(yù)計改造后日節(jié)電0.2×104kWh，年節(jié)電61×104kWh，投資回收期1.42 a。

3.2 技術(shù)推廣

1）針對游梁式抽油機傳動效率低、舉升能耗高等問題，推廣應(yīng)用“塔架式抽油機+長泵筒泵”組合工藝。塔架式抽油機主要由主塔架、電動機、配重箱及傳動系統(tǒng)等部分組成。通過永磁同步換向電動機，驅(qū)動滾筒、皮帶，帶動光桿上下往復(fù)運動，實現(xiàn)舉升原油的目的。該抽油機具有運行穩(wěn)定、傳動效率高等優(yōu)點，配合長泵筒泵使用，可提高泵抽效率，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

2021 年，對10 口井開展了先導(dǎo)性試驗，平均單井泵效提高29.5%，日節(jié)電27.9 kWh，節(jié)電率22.3%，系統(tǒng)效率提高18.1 個百分點，取得了較好節(jié)能效果。計劃對20 口井應(yīng)用塔架式抽油機，預(yù)計改造后單井日節(jié)電43 kWh，按照節(jié)電效益計算，投資回收期18.3 a。塔架式抽油機先導(dǎo)性試驗效果對比見表4。

表4 塔架式抽油機先導(dǎo)性試驗效果對比Tab.4 Comparison of pilot test results of tower-frame pumping unit

2）針對平臺井“一井一變”供電方式無功損耗大的問題，推廣一變多井耦合式共直流母線群控技術(shù)，根據(jù)油井分布和油井實際做功情況，利用一臺變壓器集中供電，通過電流“交-直”轉(zhuǎn)化，由“一井一變”向“一變多井”模式轉(zhuǎn)變。該系統(tǒng)具有損耗小、效率高、電氣設(shè)備簡單、信息化集成度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，大幅減少變壓器數(shù)量和容量，無需無功補償設(shè)備即可實現(xiàn)低壓側(cè)功率因數(shù)0.95 以上，達到降本增效的目的。一變多井耦合式共直流母線群控技術(shù)示意圖見圖2。

圖2 一變多井耦合式共直流母線群控技術(shù)示意圖Fig.2 Schematic diagram of coupling common DC bus group control technology for multi-variable wells

統(tǒng)計前期應(yīng)用效果，在油井產(chǎn)液量、動液面基本一致的情況下，安裝“一拖多”共直流母線群控裝置后，變壓器的平均有功功率下降14.2 kW，降幅24.38% ；噸 液 單 耗 減 少3.1 kWh/t，日 節(jié) 電233.15 kWh，年 節(jié) 電8.5 × 104kWh，節(jié) 電 率15.60%。計劃對A 區(qū)31 個平臺的99 口井開展技術(shù)改造，預(yù)計改造后年節(jié)電65.5×104kWh，按照節(jié)電效益計算，投資回收期4.51 a。一變多井耦合式共直流母線群控技術(shù)試驗井節(jié)能測試結(jié)果見表5。

3.3 技術(shù)優(yōu)化

1）加熱爐傳熱性能優(yōu)化。利用加熱爐涂敷手段[9]，在加熱爐的輻射受熱面上涂刷耐高溫遠紅外線節(jié)能涂料，使紅外波被反復(fù)吸收，充分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能傳遞，從而增強受熱面吸收輻射熱量的能力，使輻射面溫度提高，吸收的熱量能夠透過火筒最大限度地傳遞給加熱爐內(nèi)的流體介質(zhì)，強化加熱爐火筒的吸熱、傳熱效果，達到提高輻射傳熱效率的目的。通過前期應(yīng)用效果對比，實施節(jié)能涂料涂敷后平均過剩空氣系數(shù)由1.95 降至1.45；平均排煙溫度由218 ℃下降至192 ℃；熱效率由79.64%提升至85.14%；綜合節(jié)氣率7.27%。結(jié)合A 區(qū)設(shè)備現(xiàn)狀，計劃開展加熱爐節(jié)能涂料涂敷40 臺，總投資44 萬元，預(yù)計改造后日節(jié)氣量0.4×104m3，年節(jié)氣120×104m3，投資回收期3 個月。加熱爐應(yīng)用遠紅外節(jié)能涂料對比測試計算數(shù)據(jù)見表6。

表6 加熱爐應(yīng)用遠紅外節(jié)能涂料對比測試計算數(shù)據(jù)Tab.6 Data of comparison test and calculation of far infrared energy conservation coating applied to heating furnace

2）加熱爐燃燒器優(yōu)化。開展一體化燃燒器改造，通過旋切混合及自動優(yōu)化控制，實現(xiàn)加熱爐溫度自控，最佳配風(fēng)量調(diào)節(jié)，使氣量分布均勻，混合充分，燃燒更加完全。通過前期應(yīng)用效果對比，改造后燃氣單耗下降0.002 4 m3/kW，綜合節(jié)氣率6.77%。結(jié)合A 區(qū)設(shè)備現(xiàn)狀，擬開展一體化燃燒器改造6 臺，總投資156 萬元，預(yù)計改造后日節(jié)氣0.052×104m3，年節(jié)氣15.6×104m3，投資回收期4.49 a。加熱爐燃燒器更新改造前后能效測試數(shù)據(jù)見表7。

表7 加熱爐燃燒器更新改造前后能效測試數(shù)據(jù)Tab.7 Energy efficiency test data of heating furnace burner before and after retrofit

3）加熱爐智控系統(tǒng)優(yōu)化。安裝爐況優(yōu)化監(jiān)控裝置[10]，實時監(jiān)測加熱爐排煙溫度、含氧量、爐膛壓力、燃料流量、進/出口溫度等參數(shù)，通過爐效優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行爐效及燃燒裝置的一系列調(diào)節(jié)控制，最終實現(xiàn)優(yōu)化加熱爐爐況、提高加熱爐運行效率的作用。通過前期應(yīng)用效果對比，改造后燃氣單耗下降0.003 878 m3/kW，綜合節(jié)氣率5.58%。結(jié)合示范區(qū)設(shè)備現(xiàn)狀，擬應(yīng)用爐況優(yōu)化監(jiān)控裝置6 臺，總投資78 萬元，預(yù)計改造后日節(jié)氣380 m3，年節(jié)氣11.4×104m3，投資回收期4.28 a。加熱爐爐況優(yōu)化監(jiān)控裝置改造前后能效測試數(shù)據(jù)見表8。

表8 加熱爐爐況優(yōu)化監(jiān)控裝置改造前后能效測試數(shù)據(jù)Tab.8 Energy efficiency test data before and after the reform of furnace condition optimization monitoring device for heating furnace

4 結(jié)語

1）通過問題分析和現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，高含水率區(qū)塊主要存在常規(guī)游梁式抽油機傳動效率低、部分節(jié)能電動機使用年限過長，設(shè)備機體磨損、元件老化嚴重等問題，導(dǎo)致設(shè)備效率低，能耗高，需要統(tǒng)籌考慮，制定綜合治理措施。

2）研究發(fā)現(xiàn)，A 地區(qū)具備一定的節(jié)能改造潛力，結(jié)合現(xiàn)有成熟、先進工藝技術(shù)試驗效果，推動5 項技術(shù)改造，2 項技術(shù)推廣，3 項技術(shù)優(yōu)化。5 項技術(shù)改造節(jié)電效果可以達到預(yù)期效果，特別是NPC三電平控制技術(shù)改造和變頻改造，年節(jié)電都能達到120×104kWh 以上，投資回收期可觀，能夠為企業(yè)節(jié)省生產(chǎn)成本，為環(huán)境保護做出更大貢獻。

3）為了能夠?qū)崿F(xiàn)大幅度節(jié)能降耗需要推廣2項新技術(shù)，大批量轉(zhuǎn)變常規(guī)游梁式抽油機舉升方式、更新更換節(jié)能設(shè)備。部分新工藝、新設(shè)備雖然節(jié)電效果非常好，但是由于成本較高的原因，單純從節(jié)能產(chǎn)生的效益來看，回收期較長，不適宜大面積推廣，只能作為儲備技術(shù)進行小范圍試驗。

4）通過前期試驗，對加熱爐進行3 項優(yōu)化，其中傳熱性能優(yōu)化的節(jié)氣效果最佳，投資見效快，應(yīng)加大應(yīng)用力度；燃燒器和智控系統(tǒng)優(yōu)化的年節(jié)氣效果一般，投入高，回收期4.3 a 左右，在資金不足的情況下，可適當(dāng)延期應(yīng)用。