油田機采系統專項能源審計方法研究與應用

馬振川（大慶石油管理局技術監督中心）

能源審計是審計內容的一種，是對煤、水、電、氣、油等能源及其設施的事先設計及事后管理與節約所進行的審計項目[1]。開展能源審計可以使用能單位及時分析掌握本單位能源管理水平及用能狀況，排查問題和薄弱環節，挖掘節能潛力，尋找節能方向。從而實現“節能、降耗、增效”的目的。

機采系統耗電占油氣開采過程中總耗電量的三分之一左右[2]，甚至高達三分之二。機采系統主要耗電設備為抽油機，螺桿泵、潛油電泵以及電加熱設備（工頻電加熱、中頻電加熱、低頻電加熱和可控硅電加熱等），其中耗電量最大為加熱設備，特別是稠油開采時，其耗電量比抽油機多，不同的地質導致不同的開采工藝，各油田機采系統耗電量占比也不一樣，所以開展機采系統專項能源審計，有利于摸清機采系統重點耗能環節，分析耗能節點，結合目前先進的節能技術，進行節能改造或者運行參數優化，降低生產成本，提高企業經濟效益。

1 機采系統專項能源審計方法

專項能源審計是針對一方面做全面的審計[3]，這種審計更細致，更容易發現問題并進行改正。機采系統專項能源審計主要是針對原油氣在開采過程中所消耗的能源進行審計，主要包括能源的計量與管理、能源統計、能源利用分析、節能潛力分析等，其審計過程如圖1。

圖1 機采系統專項能源審計示意圖

1.1 審計邊界確定

審計邊界主要包括時間邊界和審計范圍，時間一般以一個自然年，或者財務結算周期為準，也可以與被審計單位協商確定，審計時間必須包括一個完整的生產周期。

審計范圍主要是指機采系統運行的范圍，即把原油氣從井底開采到井口的過程中，有消耗能源的過程均被確定為審計范圍，見圖2。

圖2 機采系統能源審計范圍示意圖

1.2 電能計量和統計

1）計量器具分析。根據GB 17167—2006《用能單位能源計量器具配備和管理通則》中的規定，機采系統數量較大，分布范圍較廣，無法以單位作為一個計量單元，而以單臺機采井，或者以平臺作為基本計量單元，或者以井用變壓器作為計量單元，統計計量器具是否完善，只有完善的計量器具配備才能最準確的獲取耗能數據，計量器具配置示意圖見圖3。

2）電力能耗數據的獲取。當現場能耗數據統計完善時，可采用統計數據作為耗能數據；當統計不完時，可通過采用對耗能設備的能耗量進行監測，進而獲得電力能耗數據；當無法完全對耗能設備進行監測時，可采用抽樣的方式，獲得耗能設備的耗電量，通過采取計算樣本的耗能設備的電動機負載率，率計算總體的耗電量，具體計算示意圖見圖4。

3）抽樣方法研究。宜采用分層抽樣的方法[4]。即將整個耗電系統當作總體，各用電單位為互不重疊的子總體，然后在子總體中按照給定的樣本量獨立地進行隨機抽樣，根據不同采油廠、作業區、小隊、抽油井型號進行抽樣。

1.3 機采系統耗能數據分析

主要分析機采系統運行能耗水平，分析相關運行指標，例如系統效率、功率因數、抽油機平衡度等。分析相關考核指標的是否合理，考核指標落實情況等，以用于評價機采系統能耗的管理水平。

圖3 機采系統計量器具配備范圍示意圖

1.4 機采系統節能潛力分析

根據機采系統能耗運行情況、現場檢查監測，分析監測數據，梳理能耗節點，尋找影響機采系統的能耗因素，挖掘節能潛力。

圖4 總體與樣本關系

1.4.1 節能電動機及配套技術

機采井的拖動設備為電動機，是消耗電力的主要設備，電動機是否節能，運行是否好壞直接影響機采井的能耗情況，目前主要為三相異步電動機，主要分為以下幾種：

1）變頻調速電動機[5]。是在普通電動機電源上加變頻器，可以降低抽油機電動機的裝機容量，負荷率得到較大提高，并且改變了上、下沖程的速比，也改善了抽油系統的配合。采用變頻調速控制，可根據油井的實際供液能力，動態調整抽汲速度，既節約電能，又增加原油產量。變頻調速電動機無論從電動機本身還是從系統配合上都達到了節能目的。但這種方法一次投入大，現場管理難度大，而且變頻器本身也有功率損耗（約3%），變頻器的諧波對電網有影響，并會使電動機附加損耗增大。

2）超高轉差電動機，高轉差電動機是采用高電阻率的轉子導體，其轉差率比普通三相異步電動機大，高轉差率電動機的轉差率在8%～12%。提高轉差率的目的是為了使電動機具有堵轉轉矩大、堵轉電流小、機械特性軟等特點，在額定輸出功率時，最大轉矩能夠等于堵轉轉矩。

3）電磁滑差電動機[6]，在普通電動機軸與負載軸之間增加一個電磁離合器，其傳遞扭矩值隨電磁離合器的勵磁電流的大小而變化，勵磁電流是根據電動機電流進行反饋控制的。在沖擊載荷時，離合器滑差增大，而電動機本身不會發熱，可空載啟動。這種電動機可使系統達到較好的配合，降低了抽油桿和抽油泵的故障率，延長了檢泵周期，但系統節能量較小。另外，電磁離合器和勵磁控制系統的成本也比較高。

4）高效永磁同步電動機，永磁同步電動機無需勵磁電流，可以顯著提高功率因數，減少定子電流和定子電阻損耗，與同規格的感應式電動機相比，效率可提高2%～8%。而且永磁電動機在25%～120%額定負載范圍內，均可保持較高的效率和功率因數。

5）雙速電動機，根據油井的工況變化，這種電動機可在兩個不同的轉速下運轉，比較容易地實現抽油機井沖次的調整。使用這種雙速電動機，不論在哪種級數下，抽油機不論停在什么位置，都能成功啟動。當抽油機的負荷率在20%～80%變化時，電動機都運行在高效區。

6）雙功率電動機，雙功率電動機是在Y系列電動機的基礎上改造而成的，也分為定子和轉子兩部分。其定子和轉子的構造與Y系列電動機一樣，在電動機的電磁設計和結構設計中，僅將原Y系列電動機的一套繞組重新設計成兩套繞組，而其他部分與原設計相同。以Y系列的37 kW電動機為例，大的繞組為啟動繞組，啟動時的功率(額定功率)為37 kW；小的繞組為工作繞組，運行功率為18.5 kW，或者小繞組的功率根據油井的實際功率來設計。電動機啟動時需要的功率大，用啟動繞組；啟動后正常運行時負載需要的電動機的功率較小，工作繞組開始工作，使電動機在運行功率下運行；如果抽汲工況發生變化，負荷較大時，兩個繞組同時運行。采用這種方法能使電動機負載在較大范圍變化時有相應的功率與之匹配，使負載率有較大的提高，從而提高電動機的效率和功率因數。當兩個繞組單獨運行時，轉子仍是總功率運行時的轉子，轉動慣量較大，運行時系統動能大，提高了電動機的過載能力，有利于換向時克服峰值負載。

1.4.2 抽油機節能變頻器

變頻器是把工頻電源（50 Hz或60 Hz）變換成各種頻率的交流電源，以實現電動機的變速運行的設備。變頻器具有軟起、停功能，減少了對抽油機桿的機械沖擊，保護了電動機及機械設備，減少維修量，變頻器對過壓、欠壓、過載、短路及電路失速都能可靠地保護?？傊?，變頻控制技術在抽油機上應用。對抽油生產設備來說是一個很大進步。它從根本上改變了抽油機的運動特性和動力特性。使抽油機-抽油桿-抽油泵達到動態協調，使有桿抽油系統和油井供液系統達到動態協調?，F場使用節能變頻器后，節能率為15%左右。

1.4.3 其他節能技術

1）抽油機井工況在線控制，主要分為基于泵功圖診斷的智能調參技術、基于動液面在線監測的智能調參及間開技術、游梁式抽油機自動調平衡技術、叢式井組集中控制等。

2）抽油機井機桿泵合理匹配，主要分為抽油機與電動機的合理匹配、機桿泵的合理匹配等。

2 現場審計

根據審計方法對某油田進行機采井專項能演審計，該油田電力消耗量為141.95×108kWh，其中機采井消耗量為47.63×108kWh，占總消耗電量的33.56%，具體能源消耗結構見表1。

表1 某油田機采系統電力消耗

根據表1可知，某油田，機采系統耗電在總體耗電量的33.56%，采油一廠機采系統耗電占總耗電量的51%。

2.1 淘汰設備分析

某油田的機采系統主要耗能設備以及淘汰情況，見表2。

表2 某油田機采系統耗能設備統計

某油田機采系統在用電動機49 072臺，平均功率為32.97 kW，應淘汰4 074臺，占比為7.02%。對更換淘汰設備進行經濟評價如下：如果更換淘汰4 074臺電動機，需要投資7 253.04萬元，電價按0.638 1元/kWh計算，設備單價按市場價計算，年節約電量635.37×104kWh，節約資金405.43萬元，平均投資回收期17.89年，見表3。

2.2 節能潛力分析

經分析，某油田機采井技術改造潛力為13 787井次，配合井下優化設計，若全部實施后預計可實現年節電2.1×108kWh。

表3 某油田機采系統電動機投資回收期

1）抽油機更換潛力。對于機型老舊、運行狀況差、配件供應難的高耗能抽油機井，或者作業過程中出砂、井下故障頻繁的抽油機井，可隨檢泵轉為螺桿泵。通過分析，適于抽油機轉螺桿泵的潛力井為3 600口，措施全部實施后可實現年節電9 800×104kWh。

2）電動機更換潛力。對于使用時間長、耗能高以及電動機功率利用率低于20%的普通電動機，采取更新為節能電動機的措施。通過分析，電動機更換潛力為5 950臺，措施全部實施后可實現年節電 7 200×104kWh。

3）電控箱更換及改造潛力。對于使用時間長、功率因數偏低的常規電控箱以及節能元件失效、修復困難的電控箱，采取更換節能電控箱的措施。通過分析，電控箱更換潛力為3 800臺，措施全部實施后可實現年節電3 650×104kWh。

4）電泵井節能潛力分析。對產液量變化較大、欠載停機無法正常啟泵的電泵井，可以通過安裝電泵井變頻裝置調節潛油電泵的排量，使潛油電泵機組在最佳條件下運行。電泵井變頻潛力為50井次，措施全部實施后可實現年節電100×104kWh。

5）螺桿泵井節能潛力分析。對產液量變化較大或沉沒度偏低的螺桿泵井，可以通過安裝變頻裝置調節螺桿泵排量，發揮螺桿泵低能耗的優勢，螺桿泵變頻潛力340口，措施全部實施后可實現年節電 275×104kWh。

3 結論

通過機采系統專項能源審計方法研究，列出了能源審計方法框架圖，分析了各部分的審計方法，針對能源統計數據不全時，引用抽樣統計方法，通過監測樣本的能耗量獲取整體的能耗量，分析了機采系統各節點的節能潛力情況。通過對某采油廠進行機采系統專項能源審計，為其實現2.1×108kWh的節能潛力。