抽油机平均有功功率节能率的计算方法

马中山（中国石油天然气集团公司西北油田节能监测中心）

在油田生产设备中，抽油机是最重要、也是数量最大的耗能设备。由于现有常规抽油机普遍存在运行效率较低、能源利用率较差的问题，因此，针对抽油机开发的各类节能技术和节能产品也是种类繁多、技术各异。准确测定各类节能技术和节能产品的节能率是评价其节能效果的关键指标。

1 现状与存在问题

石油行业标准SY/T 6422《石油企业用节能产品节能效果测定》中，规定了抽油机用节能技术和节能产品的节能率的计算方法，它分为不变工况和变工况两种情况[1]，两种工况下的计算方法表示如下：

不变工况

式中：——有功功率节能率，%；

——应用节能产品后吨液提升百米扬程有功功率耗电量，kWh/(100 m·t)。

变工况

式中：ξjg——节能率，%；

——应用节能产品前机械采油系统产液单耗，kWh/t；

——应用节能产品后机械采油系统产液单耗，kWh/t。

标准给出的计算公式，仅仅是针对单台抽油机节能率的计算方法。但在实际节能产品评价测试过程中，一般不会采用单台设备的测试数据来评定其节能效果，通常是测试多台抽油机，以多台抽油机的平均节能率作为该节能产品的节能效果评价指标。这种评价方法不仅更科学，而且也更公平。

由于在标准SY/T 6422《石油企业用节能产品节能效果测定》中，没有给出平均节能率的计算方法，导致抽油机用节能技术和节能产品计算平均节能率的方法不能统一，计算结果也差别较大，有的方法甚至可能出现错误的结论，直接影响了抽油机用节能技术和节能产品的正确评价。

根据标准SY/T 6422《石油企业用节能产品节能效果测定》中给出的单台抽油机节能率的计算方法，不同条件下，抽油机用节能技术和节能产品的节能率可以采用吨液百米单耗或产液单耗来计算。因此，多台抽油机平均节能率的计算也通常首先考虑使用平均吨液百米单耗或平均产液单耗来计算。计算的方法有加权平均和算术平均两种方法。另外，还可以考虑采用单台抽油机节能率的算术平均值作为多台抽油机的平均节能率，但在实际测试计算过程中，上述方法存在两方面的问题。

1）平均节能率大于节能技术的理论值。在某厂15台抽油机普通电动机更换为高转差电动机的改造项目中，根据改造前后测试数据，按照不同计算方法计算节能率结果如表1所示。

表1 抽油机更换高转差电动机节能率计算结果

15台抽油机改造后的冲速、冲程及油井产液量、动液面变化超出了SY/T6422《石油企业用节能产品节能效果测定》中对不变工况的要求，根据标准要求应采用产液单耗计算单台抽油机的节能率。考虑到吨液百米单耗也是计算抽油机节能率的重要参数，表1也列出了采用吨液百米单耗计算的抽油机节能率。

高转差电动机的节电原理，可以用较小容量的电动机取代目前较大容量的普通电动机做到合理的功率匹配，从而减少其固定损耗；可以大大减少乃至消除抽油机运行时的发电状态，减少了能量无益传递过程中的损耗；这种电动机具有平坦的效率特性曲线，负载率在20%～40%时，其效率基本处于70%～80%之间，高于普通电动机，就节能而言，抽油机匹配高转差电动机是合理的[2-3]。

根据理论计算及专家经验，高转差电动机与普通电动机相比，高转差电动机的效率和功率因数均有所提高，经现场测试比对，其有功节电率为10.5%[4]。

由表1可知，采用产液单耗计算的节能率最大值为44.05%，最小值为0%，算术平均值为19.74%。用产液单耗加权平均值计算的平均节能率为26.83%，用产液单耗算术平均值计算的平均节能率为22.50%，各种方法计算的抽油机平均节能率均远远高于理论数据。

而采用吨液百米单耗计算出的抽油机平均节能率中，除单台节能率算术平均值外，其他两种算法所得的抽油机平均节能率也明显偏高。说明上述两种方法不适用于抽油机用节能技术和节能产品平均节能率的计算。

2）计算结果矛盾。在某厂13台抽油机普通电动机更换为永磁电动机的改造项目中，根据改造前后测试数据，按照不同计算方法计算节能率结果如表2所示。

表2 抽油机更换永磁电动机节能率计算结果

永磁电动机是一种高效节能产品，与感应电动机相比，可以显著提高功率因数，减少定子电流和定子电阻损耗，在稳定运行时没有转子电阻损耗，其效率比同规格电动机提高2%～8%。永磁同步电动机在25%～120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节电效果更为显著。由于启动转距较异步电动机大，额定功率可以比异步电动机降低一个等级。以某油田企业为例，某采油厂把异步电动机更换为永磁同步电动机，通过测试对比，其平均有功节电率为6.07%，平均综合节电率为24.61%[5-6]。

由表2可知，采用产液单耗以各种方法计算的抽油机平均节能率偏大，采用吨液百米单耗计算的抽油机加权平均节能率，既然大于单台抽油机以吨液百米单耗计算的节能率最大值，这是明显不符合逻辑的，说明这种计算方法本身在理论上就存在问题。

2 计算方法分析

抽油机用节能技术或节能产品的节能效果受到的影响因素很多，在没有标准装置的情况下，采用在生产现场安装节能设备前后的测试数据评价其节能效果，也是无奈之举。生产现场单台设备的测试结果必然会有相当大的偶然性，但如果测试数量足够大，测试结果的平均值可以反映节能设备的节能效果，关键是如何计算平均节能率。

采用平均吨液百米单耗或平均产液单耗计算平均节能率，其理论依据是：首先计算多台抽油机改造前后的平均吨液百米单耗或产液单耗，再按照单台抽油机节能率的方法计算多台抽油机的平均节能率。但是，由于抽油机设备运行工况复杂，运行参数受各方面因素影响较大，使最终计算的平均节能率可能出现不合理甚至矛盾的现象。

表3 累计节电功率法平均节能率计算结果

采用单台抽油机节能率的算术平均值作为多台抽油机的平均节能率，就忽略了不同抽油机功率大小、节能效果多少对总体平均节能率的作用和影响，也存在不合理性。

为避免上述各种计算方法存在的问题，经过对节能率基本定义的分析，借鉴SY/T 5264《油田生产系统能耗测试和计算方法》中抽油机平均系统效率的计算理论[7]，特提出采用累计节电功率计算平均节能率的方法。该方法与上述各种方法的不同点在于采用多台抽油机实际累计节电功率，是抽油机实际节电效果的真实体现，是一种直接计算节能率的方法。它不同于采用平均吨液百米单耗或产液单耗的间接计算方法，因而避免了平均节能率计算结果出现不合理或矛盾的现象，同时也可以体现抽油机功率大小、节能效果多少对平均节能率的作用和影响。

采用累计节电功率计算平均节能率的计算公式如下：

式中：ξjy——平均有功节能率，%；

ξiy——第i台抽油机的有功节能率，%；

Pi1——第i台抽油机改造前电动机消耗有功功率，kW。

3 方法验证

采用累计节电功率法，对前述更换高转差电动机的15台抽油机改造项目和更换永磁电动机的13台抽油机改造项目平均节能率重新进行计算，并且在更换永磁电动机的13台抽油机中挑选出冲程、冲速及油井产液量、动液面等运行参数波动不大3口井，采用平均吨液百米单耗计算平均节能率（表3）。

由表3可知，采用累计节电功率法计算15台抽油机更换高转差电动机的平均有功节能率为13.47%，13台抽油机更换永磁电动机的平均有功节能率为8.75%，3台更换永磁电动机后运行参数波动不大的抽油机平均有功节能率为8.72%；采用平均吨液百米单耗计算3台更换永磁电动机后运行参数波动不大抽油机的平均有功节能率为7.94%。

从上述计算结果看，采用累计节电功率法计算的平均有功节能率，与所采用节能技术的理论节能率基本对应，没有出现不合理的矛盾现象。并且，3台更换永磁电动机后运行参数波动不大的抽油机平均有功节能率与13台抽油机总体的平均节能率非常相近，而且采用平均吨液百米单耗与采用累计节电功率法计算的平均有功节能率也比较接近，符合理论分析结果。

4 结论

采用累计节电功率法计算抽油机的平均节能率，是根据节能的基本定义直接计算节能率的方法，其核心内涵是节能率的加权平均。该方法可以有效避免其他计算方法可能产生的与节能技术不对应、不合理或矛盾的计算结果，是全面、准确评价节能技术或节能产品节能效果的有效方法。抽油机变工况下的平均节能率也同样可以参照此方法进行计算。

[1]石油工业节能节水专业标准化技术委员会.石油工业用节能产品节能效果测定：SY/T 6422—2016[S].北京：石油工业出版社，2016：2-3.

[2]吴付生.超高转差率电动机的应用及效果[J].电气开关，2009（1）：68-69.

[3]宋涛.抽油机工况下电机效率理论分析及实验研究[D].西安：西安理工大学，2011.

[4]李德格，袁秀堂，张君，等.提高机采系统效率的措施及建议[J].油气田地面工程，2014，33（3）：7.

[5]李东波，李嘉炜，巩建卫，等.油田抽油机电机节能方式探讨[J].山东工业技术，2017（8）：63.

[6]苏小雨，姚安梅.游梁式抽油机两种电机驱动的对比[J].沿海企业与科技，2009（4）：40-42.

[7]石油工业节能节水专业标准化技术委员会.油田生产系统能耗测试和计算方法：SY/T 5264—2012[S].北京：石油工业出版社，2012：10-11.