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

(中國石化中原油田分公司安全環(huán)保處)

0 引 言

老油田進入開發(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，難以滿足國家綠色發(fā)展戰(zhàn)略和“百千萬”行動中能耗總量和強度“雙控”的節(jié)能目標考核要求。某老油田結(jié)合自身油藏和生產(chǎn)工藝特點，圍繞機采、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)合電機直驅(qū)抽油機技術(shù)、永磁調(diào)速技術(shù)、大排量對置式柱塞泵技術(shù)、計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、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)合電機直驅(qū)抽油機技術(shù)

游梁式抽油機由于結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定、檢(維)修方便，在油田機械采油裝置中占主導(dǎo)地位，達到95%以上。但因啟動靜負荷扭矩大，配套電動機額定功率遠大于實際運轉(zhuǎn)功率，電動機功率利用率僅為20%，空載損失大，加之皮帶輪、減速齒輪箱、四連桿機構(gòu)等中間傳動環(huán)節(jié)能量損失，地面系統(tǒng)效率不超過70%。其中電動機、皮帶輪、齒輪箱、四連桿機構(gòu)的效率分別為80%，90%，91%，95%。因此，減少抽油機傳動環(huán)節(jié)損失，使用大啟動轉(zhuǎn)矩的高效電動機是目前游梁式抽油機節(jié)能技術(shù)攻關(guān)方向之一。

針對傳統(tǒng)游梁式抽油機傳動環(huán)節(jié)多、電動機功率利用率低、能耗損失大等問題，某油田應(yīng)用了永磁復(fù)合電機直驅(qū)抽油機技術(shù)[1]。通過永磁復(fù)合電機直接驅(qū)動曲柄連桿機構(gòu)，取消了傳統(tǒng)的三相異步感應(yīng)電動機、皮帶和減速齒輪箱，減少了傳動損失。永磁復(fù)合電機采用了永磁電動機、磁性齒輪(見圖1)復(fù)合封裝技術(shù)。永磁電機與磁性齒輪共用一個內(nèi)轉(zhuǎn)子，內(nèi)轉(zhuǎn)子磁鋼由電機驅(qū)動高速旋轉(zhuǎn)，外轉(zhuǎn)子連接負載輸出，利用磁場調(diào)制的原理，經(jīng)調(diào)磁環(huán)將高速旋轉(zhuǎn)磁場調(diào)制成低速旋轉(zhuǎn)磁場，實現(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：電動機轉(zhuǎn)子采用無接觸式傳遞轉(zhuǎn)矩，不存在機械磨損，無需潤滑，運行效率大于85%；電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低，采用圓柱滾子軸承，徑向承載能力高，壽命高于機械齒輪箱；直驅(qū)游梁式抽油機只有一個曲柄連桿旋轉(zhuǎn)驅(qū)動環(huán)節(jié)，機械傳動損失小，機械振動小。

某油田對10臺游梁式抽油機進行技術(shù)改造，按照原減速齒輪箱體積規(guī)格設(shè)計電機的主軸及底座，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)電動機、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，直接驅(qū)動曲柄帶動抽油機上、下往復(fù)運動提液，配套變頻技術(shù)可以實現(xiàn)抽油機沖次6次/min以內(nèi)的無級差調(diào)參。改造后能效測試對比，抽油機的系統(tǒng)效率提高了4百分點，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臺離心水泵，單臺清水泵設(shè)計供水能力600 m3/h，電動機功率132 kW。由于清水需求量波動大，在450～900 m3/h之間，大部分時間需啟用兩臺清水泵供水。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。

針對水量波動大、供需不匹配的問題，通常采用變頻調(diào)速技術(shù)進行供水量調(diào)節(jié)，避免泵打回流造成能量浪費。但由于現(xiàn)場環(huán)境潮濕、空間狹小等因素影響，變頻器故障率高，維護工作量大，無法穩(wěn)定運行。通過技術(shù)比選，采用對惡劣環(huán)境適應(yīng)性強的永磁調(diào)速技術(shù)[2]對離心泵調(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

清水站對兩臺清水泵進行了永磁調(diào)速改造，永磁驅(qū)動器安裝在原電機與泵的聯(lián)軸器處。工作時，根據(jù)用水負荷變化情況，通過PLC控制器控制電動執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)主動導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和從動導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子的耦合面積來調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，最終實現(xiàn)離心泵自動調(diào)節(jié)供水量，保證供用水平衡，節(jié)約清水泵耗電量。同時將電機與水泵的連接由硬連接變?yōu)檐涍B接，實現(xiàn)降低系統(tǒng)振動磨損，延長設(shè)備使用壽命?？刂圃硪妶D2。

圖2 永磁驅(qū)動控制原理

改造后，全站用水量在485～650 m3/h的情況下，一臺配套永磁調(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)污水站離心泵一級提壓后供給增注泵站，再經(jīng)增注泵站柱塞泵二級提壓，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重。測試結(jié)果表明，注水系統(tǒng)能量利用率為52.4%，泵機組效率為71.1%，泵機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)點是排量大，維護工作量小，缺點是工況脫離高效區(qū)后，效率下降快，存在閥組節(jié)流能量損失；柱塞泵的優(yōu)點是泵效高，泵效不受排量變化影響，缺點是大排量(≥100 m3/h)柱塞泵國內(nèi)生產(chǎn)廠家少，維護工作量大。針對油田注水量頻繁波動，而工藝無法及時調(diào)整的問題，通過采用大排量對置式柱塞泵[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))來提高泵機組效率。大排量對置式柱塞泵結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 對置式柱塞泵結(jié)構(gòu)

技術(shù)特點：泵的兩個液力端完全水平布置在曲軸的對邊，運轉(zhuǎn)中一邊的柱塞運動回程中產(chǎn)生的慣性作用到曲軸上，傳遞到對邊的柱塞形成動力。與單邊柱塞泵相比，泵機組效率提高5%左右；一根曲軸帶動兩個液力端工作，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；曲軸運行一周沒有空行程，整個運行過程受力均勻，相對于單邊柱塞泵，運行更加平穩(wěn)。

某油田實施了大排量對置式柱塞泵替代離心泵改造。改造前，注水站運行3臺離心泵，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，且離心泵投運近10年，運行效率僅為71%，導(dǎo)致注水系統(tǒng)標耗較高，注水標耗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7DW170/18型大排量對置式柱塞泵，額定排量170 m3/h，額定出口壓力18 MPa，電動機采用變頻控制，配套設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。改造后，測試泵機組效率為88%，比改造前提升了17百分點；注水標耗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 計量站真空相變加熱爐技術(shù)

油田計量站的常壓水套加熱爐擔(dān)負著油氣集輸起點提溫，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：運行負荷率低，平均為50%～60%；燃燒效率低，手動調(diào)節(jié)燃燒器不能根據(jù)油井產(chǎn)出液變化自動調(diào)整燃燒器負荷和配風(fēng)量；安全性能低，缺乏熄火保護、液位監(jiān)測安全監(jiān)控裝置等[5]。

隨著油田安全生產(chǎn)自動化、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)合計量站集輸工藝特點，應(yīng)用適合油田計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；采用全自動燃燒器自動控制出口溫度，避免過度加熱造成燃氣浪費；采用煙氣氧量閉環(huán)燃燒系統(tǒng)控制過?？諝庀禂?shù)，提高燃氣燃燒效率；燃燒器具有自動吹掃、自動點火、連續(xù)火焰檢測、熄火保護裝置以及燃氣電磁閥檢漏保護等功能，保證燃燒系統(tǒng)安全可靠；燃料氣凈化裝置對油井產(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；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)約燃氣29.8×104m3，減少溫室氣體排放644 tCO2e。

5 結(jié)論與認識

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，實現(xiàn)油田效益最大化。

1)永磁復(fù)合電機技術(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)機械傳動能量損失大的技術(shù)難題，實現(xiàn)了抽油機、水泵等主要耗能設(shè)施的無級調(diào)速，滿足了油田生產(chǎn)工況頻繁變化、動態(tài)調(diào)參的需要，適合油田防爆要求高、外部環(huán)境惡劣的場所。

2)大排量對置式柱塞泵配套變頻控制技術(shù)解決了離心泵機組效率低、注水量頻繁波動而工藝無法及時調(diào)整的技術(shù)問題，實現(xiàn)了油田注水系統(tǒng)能效大幅提升。在實際應(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，建立定期維護保養(yǎng)工作制度。

3)計量站真空相變加熱爐爐體在負壓或微正壓狀態(tài)加熱，運行更安全、更高效；對加熱介質(zhì)和熱傳導(dǎo)介質(zhì)參數(shù)、燃燒狀態(tài)實施監(jiān)測和閉環(huán)監(jiān)控，進一步提高安全系數(shù)和運行效率；符合油田當前安全生產(chǎn)、節(jié)能減排形勢，在油田集輸系統(tǒng)中具有推廣應(yīng)用價值。