自動化儀器、儀表及數字化油田建設在油田生產、節能中的應用

齊照慶（大慶油田自動化儀表有限公司）

隨著無線通訊技術、傳感器技術等先進科技的發展，自動化儀器、儀表在油田生產建設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、準確性等特點，取代傳統的人工儀表已成為必然的趨勢。自動化儀器、儀表在無線通訊等技術的支持下，已形成的自動化控制系統，從感知層的各類傳感器到通訊層再到上位機數據處理層，已向著智能化、智慧化、大數據的時代發展，從而大大提高生產效率，降低人工成本和生產風險，并廣泛用于油田生產中；但是，在應用過程中因多種因素影響造成大量的能源損耗。例如：在流體輸送時，由于流體特性及管道的影響，自動化設備會產生較大的阻力，導致電能損耗加大。據調查，因流體阻力損耗的電能約占總耗電的20%。由此可見，如果能在油田的生產中采取行之有效的節能措施，對降低自動化儀表的能源損耗具有極其重要的現實意義。

1 自動化儀器、儀表與節能的關系

作為油田生產系統中不可或缺的一部分，儀器、儀表在油田各環節中十分重要，充分體現了其顯示、檢測準確、控制各類參數、安全連鎖保護、數據分析等作用。在儀表的實際使用過程中，如果設備能一直處于穩定可靠的狀態，就可以更科學、高效地掌控生產的全過程，并且隨著信息化的發展，無線傳輸技術、大數據集成處理、各類預警功能的應用，在油田生產的緊急情況下可以對事件進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作為了解并控制油田生產的一個重要手段。

通過對油田自動化儀表節能進行分析，其本質是指在滿足相關要求的基礎上通過計算、控制管理等多種手段，綜合考慮經濟條件、生產技術及環境等多方面因素，進而提高油田產業的經濟效益及能源利用率。事實上，就實現油田自動化儀表節能而言，其本質上涵蓋了包括頂層設計、方案分析、產品選型、安裝調試、系統維護，以及后續方案的改進與優化在內幾個方面的內容，而這幾個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能是否達到了節能的效果，所參考的標準依據或參數是什么，這就不得不提到一個概念-節能量。而所謂的節能量就是在一定時期內節約的能源數量，即完成同一個任務量時所節省下來的能源消耗。主要包括單耗降低、效率提高合理節能等節能計算方法，這些方法也為油田自動化儀表節能措施的制定與實施提供了科學的參考依據。

2 油田自動化儀表節能措施

針對目前油田在用儀表的實際使用情況，自動化儀表存在著很大的節能潛力，為將儀表的節能效果發揮出來，特采取以下措施，以達到與國家節能環保相符合的標準要求。

2.1 對自動化儀表的傳輸阻力進行有效控制

在油田各項生產和現場操作過程中，由于自動化儀表與地面流體發生直接接觸，所以不可避免會產生相應的阻力，隨著阻力的增大，消耗的能量也會增大。流體在線路傳輸過程中，介質與流量儀表及閥組之間產生的阻礙所占的比重相對較高，因此，實現節能的關鍵方法是降低儀表對介質傳輸的阻礙[1]。

1）在各種流量測量裝置中增大節流裝置的直徑比。在油田的實際生產運行中，廣泛應用節流裝置，其使用范圍約為三分之二。就流體性質而言，其本身具有一定黏性，因此，當液體傳輸經過節流器件時，節能件形成漩渦以及克服摩擦消耗了較多的能量；同時，液體的靜壓力在傳輸過程中，通過節流裝置后也會存在相應的壓力損失，且不能完全恢復。這就可以說明，壓力損失、直徑比兩者之間是反比關系，即要減少壓力損失，就需要使相應的直徑比增大，才能實現節能的目標。

2）通過對調節閥進行控制達到節能的目的。首先引入一個調節閥的閥阻比概念，具體涵義是指在閥體全開的狀態下，壓力降低與管路總體壓力降低的比值，若用S表示，其數值越大，則損失在閥上的能量就越多[2]。按照實際使用情況測算S值，而閥組比的取值范圍通常在0.3～0.5之間；在介質為氣體時，閥組比相對較高，會高于0.5。在油田生產中利用調節閥控制流量，通過減低調節閥的閥阻比，可大大降低應用過程中機泵運轉產生的電能消耗，從而達到節能降耗的目的。

2.2 充分利用交流變頻技術

在石油工業的生產指揮自動化系統中，為滿足控制離心泵出口流量的需求，所使用的調節器需要根據工況設定最佳PID值進行調節控制，進而對調節閥的開度流量起到相應的控制效果[3]。但需要注意的是，這種在規律下進行調節控制的調節方案是存在一定缺陷的。主要表現如下：節能性較差，這種以變阻力元件為主要元配件進行工作調節的調節器，其本身存在一定能量損耗；經濟性較小，因為離心泵的出口側面設有截止閥，用以配合調節閥的正常運行，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，以滿足負荷不斷變化的動力需求，同時也不利于實現經濟的調節方案。

在電子科技的推動下，所研發的變頻節能調速器廣泛用于各個工業生產領域。這是因為變頻調速器具有很好的節能效果，且更加經濟方便，極大地提高設備的運行效率。而用于工業化工生產系統中的調速器，同樣可以充分利用高性能的變頻技術來完善其調節方案，即利用變頻調速器來控制泵的出口流量。使用交流變頻調速器呈現下述優越性：安裝方式具有非接觸、無阻力的特點；由于對泵轉速直接進行控制，進而更容易有效控制流量；采用大范圍無級調速，調節效果會更好，省去調節閥等一系列環節。按照原則選用機泵以及調節閥上的壓降，通過變頻控制器共同組成調節系統，提高整體效率，這種方式預計能夠減少電能消耗約百分之三十；而對于那些原有機泵選擇過盈量太多，或者機泵在生產時低負荷運行的，節能效果相對而言更佳顯著。

2.3 選擇無壓損或低壓損的自動化儀表

在測試流體流量時，節能裝置在其實際測試過程中存在的壓損較大，而節能裝置的使用率很高，約為70%，這樣不利于節能。因此，在工業領域無壓損和低壓損儀表得到較大關注，尤其是近幾年廣泛應用的旋進旋渦流量計和笛形均速管流量計。其具有造價低廉、壓損微小和安裝方便的特點，受到各油田一線操作人員的好評[4]。儀表選擇是油田設計的一個重要環節，在考慮儀表性能的同時要兼顧節能，而通過研發和革新制造出更加環保、節能的儀表也成為儀表行業的一個新的發展方向。

2.4 對自動化儀表的運行方案進行優化

為使調節閥的壓損降低，可以考慮將調節閥安裝在換熱器之后，因大部分壓降是在流量調節閥上產生的，其操作過程是物料先經預熱器的預熱，再通過閃蒸罐進行閃蒸，將調節閥布置在閃蒸罐的入口處，這樣可以有效地控制換熱器物料的氣化。

如果將調節閥安裝在換熱器之前，在操作過程中調節閥自身會存在壓損，同時會降低物料在進入換熱器時產生的壓力，而在換熱器內進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能效果。

2.5 數字化油田建設

抽油機是油田生產中的重要地面機械，其種類繁多。而抽油機設計的運行參數不能完全與井口的實際情況進行匹配，在不同油井不同負荷的情況下，如何使抽油機的工作狀態保持最佳水平，最大限度提高其工作能力，做到低碳開發，保證節能開采，這是問題的關鍵所在。

數字化抽油機是集數據采集、傳輸和遠程控制多種功能于一體的多功能抽油機，配有多種數字化設備，主要包括數字化抽油機智能控制柜、三項電參采集器、電動機變頻控制、一體化載荷懸繩器、傳感器、平衡調節裝置等。這些設備共同承擔著對油井參數進行采集、傳輸、分析，對抽油機進行遠程啟停控制，對抽油機的運行狀態進行報警；并根據井口參數，對最佳的沖速進行判斷、調節，利用動平衡達到節約能源的目的[5]。通過無線傳輸，將后臺分析的結果轉化成信號，傳遞給變頻器；通過調整將電動機的輸入頻率調整到最佳狀態，使抽油機平衡效果更好，驅動電動機使用壽命更長、功率更小，提高生產效率的同時節約人工、電能等成本，減少設備損耗和維修費用[6]。

通過實際測算，數字化抽油機與同一型號的常規抽油機相比，電動機功率因數和地面效率更高，平衡度更好，無功功率更低，這都表明了數字化抽油機在節能方面的作用。

3 結語

總之，隨著無線通訊技術、網絡技術、計算機技術等高新技術的發展，工業自動化儀器、儀表已得到更新，并不斷向節能減排的領域拓展。環保節能已成為我國工業發展的前提條件與方向，這關系到我國整個經濟體系的發展，同時也關系到企業的自身利益，是新時代企業應該具備的基本素質。