自动化仪器仪表在油田生产节能中的应用

齐照庆（大庆油田自动化仪表有限公司）

随着无线通讯技术、传感器技术等先进科技的发展，自动化仪器、仪表设备在油田生产建设中起到的作用更加无法替代，因其具备较高的效率性、智能性、准确性等特点，取代传统的人工仪表已成为必然的趋势。自动化仪表设备在无线通讯等技术的支持下，已形成的自动化控制系统，从感知层的各类传感器到通讯层再到上位机数据处理层，已向着智能化、智慧化、大数据的时代发展，从而大大提高了生产的质量和效率，降低了人工成本和生产风险，在油田生产中有着重要的作用，也得到了大范围的安装及应用，但在应用的过程中，因多种因素影响造成了大量的能源损耗，例如：在流体输送时，由于流体特性及管道的影响，自动化设备会产生较大的阻力，导致电力能源损耗加大，据调查因流体阻力损耗的电力约占总耗电的20%。由此可见，如果能在油田的生产中采取行之有效的节能措施，对降低自动化仪表的能源损耗具有极其重要的现实意义。

1 自动化仪器仪表及节能的相关概念

作为油田生产系统中不可或缺的一部分，仪器仪表在油田各环节十分重要，充分体现了其显示、检测准确、控制各类参数、安全连锁保护、数据分析等作用，在保证生产的同时在生产的指挥上也有着重大的指导意义。在仪表的实际使用过程中，如果设备能一直处于稳定可靠的状态，就可以更科学、高效的掌控生产的全过程，并且随着信息化的发展，无线传输技术、大数据集成处理、各类预警功能的应用，在油田生产的紧急情况下可以对事件进行提前判断并有效控制，因此，众多油田单位都将自动化仪表做为了解并控制油田生产的一个重要手段。

通过对油田自动化仪表节能开展分析，其本质是指在满足相关要求的基础上通过计算、控制管理等多种手段，综合考虑经济条件、生产技术及环境等多方面因素，进而充分提高油田产业的经济效益及能源利用率。事实上，就实现油田自动化仪表节能来说，其本质上涵盖了顶层设计、方案分析、产品选型、安装调试、系统维护以及后续方案的改进与优化在内几个方面的内容，而这几个方面在一定程度上也是互相依托、相辅相成、缺一不可。但是，如何衡量油田自动化仪表节能是否达到了节能的效果，所参考的标准依据或参数是什么呢，这就不得不提到一个概念-节能量。而所谓的节能量顾名思义就是在一定时期内节约的能源数量，换言之，也就是完成同一个任务量时，所节省下来的能源消耗[1]。

2 油田自动化仪表节能的有效措施

针对目前油田在用仪表的实际使用情况来看，自动化仪表存在着很大的节能潜力，为将仪表的节能效果发挥出来，提出以下几个措施，以达到与国家节能环保战略相符合的标准要求。

2.1 对自动化仪表的传输阻力进行有效控制

在油田各项生产和现场操作过程中，由于自动化仪表与地面流体发生了直接接触，所以不可避免会产生相应的阻力，随着阻力的增大，消耗的能量也会增大。流体在线路传输的过程中，介质与流量仪表及阀组之间产生的阻碍占的比重相对较高，因此，实现节能的关键方法是降低仪表对介质传输的阻碍。

1）在各种流量测量装置中增大节流装置的直径比，在油田的实际生产运行中，广泛的应用了节流装置，使用的范围约为三分之二。从流体的性质来讲，其本身是具有一定黏性的，因此，当液体传输经过节流器件时，节能件形成的漩涡以及克服摩消耗掉了较多的能量，并且液体的静压力在传输过程中，通过节流装置后也会存在相应的压力损失，且不能完全恢复[2-3]。这就可以说明，压力损失、直径比两者之间是反比的关系，也就是说想要减少压力损失，就需要使相应的直径比增大，才能达到节能的目标。

2）通过对调节阀进行控制达到节能的目的，那么如何对优化使用调节阀呢，首先引入一个调节阀的阀阻比的概念，具体涵义是指的是在阀体全开的状态下，压力降低的值与管路总体压力降低的比值，用S表示，其数值越大，就表示损失在阀上的能量越多。按照实际使用情况测算S值即阀组比的取值通常的范围在0.3～0.5，在介质为气体时，阀组比相对较高，会高于0.5。在油田的生产中我们利用调节阀控制流量，通过减低调节阀的阀阻比，可大大降低应用过程中机泵运转产生的电力消耗，从而达到节能降耗的目的。

2.2 充分利用交流变频技术

一般来讲，在石油、工业的生产指挥自动化系统中，为满足控制离心泵出口流量的需求，所使用的调节器需要根据工况设定最佳PID值进行调节控制，进而对调节阀的开度流量起到相应的控制效果。但需要注意的是，这种在规律下进行调节控制的调节方案是存在一定缺陷的。主要可以体现在两点：第一，节能性较差，这种是以变阻力元件为主要元配件进行工作调节的调节器装置，其本身是存在一定能量损耗的；第二，经济性较小，因为该装置下，离心泵的出口侧面设置有截止阀，用以配合调节阀的正常运行，这就限制了泵的选择，要求所选用的离心泵必须要具备较大的额定功率，以满足负荷不断变化的动力需求，这就会造成一定的功率浪费，同时也不利于实现经济的调节方案。

为此，若能针对这一问题进行相应的改革与完善，就能够起到较好的节能效果。而当前不断发展的电子科技技术与信息技术正好为我们提供了有力的技术支持。在电子科技的推动下，变频节能调速器逐渐被研发并被广泛应用在各个工业生产领域。这是因为变频调速器具有很好的节能效果，且更加经济方便，极大的提高了设备的运行效率。在工业化工生产系统中的调速器，同样可以充分利用高性能的变频技术来改善其调节方案。即实用变频调速器来控制泵的出口流量（图1）。使用交流变频调速器的优越性主要可以体现在三点：其一，安装方式具有非接触、无阻力的特点；其二，控制的过程是由变频调速器对泵的转速直接进行控制，能够更容易对流量进行有效的控制；其三，采用了大范围无级调速，调节效果会更好，省去了调节阀等一系列环节减少了外部的影响因素。按照原则选用机泵以及调节阀上的压降，通过变频控制器共同组成调节系统，提高整体的效率，这种方式预计能够减少电能消耗约30%，而对于那些原有机泵选择过盈量太多，或者机泵在生产时低负荷运行的，节能效果相对而言更佳显著。

图1 变频调速控制

2.3 选择无压损或低压损的自动化仪表使用

在测试流体流量时，节能装置在其实际测试过程中存在的压损较大，而节能装置的使用率很高，约为70%。伴随着社会的发展，环保和节能已经成为了当代的主题词，因此，在工业领域，无压损和低压损仪表得到了广泛关注。尤其是近几年，旋进旋涡流量计和笛形均速管流量计的应用效果比较好，优势显著。其具有造价低廉、压损微小和安装方便的特点，受到各油田一线操作人员的好评。因此，仪表的选择是油田设计的一个重要环节，在考虑仪表性能的同时要兼顾节能，而通过研发和革新，制造出更加环保、节能的仪表也成为的仪表行业的一个新的发展方向。

2.4 对自动化仪表的运行方案进行优化

优化安装位置，对调节阀合理布局，为了使调节阀的压损降低，可以考虑将调节阀安装在换热器之后（图2），因产生的大部分压降是在流量调节阀上产生的，其过程是物料先经预热器的预热，再通过闪蒸罐进行闪蒸。将调节阀布置在闪蒸罐的入口处，这样可以有效的控制换热器物料的气化。

而如果将调节阀在安装换热器之前，在操作过程中调节阀自身会存在压损（图3），同时会降低物料在进入换热器时产生的压力，而在换热器内进行加热所用的蒸汽量也会随之降低，因此，对装置的合理布局，在一定程度和情况下可以起到明显的节能效果[4-5]。

图2 调节阀在换热器之后

图3 调节阀在换热器之前

2.5 数字化油田建设对节能的效果

当今的时代，是信息的时代，那么在实际的油田生产中，更好的引入和运用大数据、云平台、无线通讯、数据集成、数据处理等概念，并将其应用在抽油机井及各计量间当中十分重要，且对合理下达生产指令有着非常巨大的意义。

抽油机井是油田作业的重要工具，其种类繁多，而抽油机设计的运行参数不能完全与井口的实际情况进行匹配，在不同油井不同负荷的情况下，如何调整抽油机的状态，使两者参数最大可能的达到统一，使抽油机的工作状态保持在最佳水平，最大限度的提高其工作能力，做到低碳开发，保证节能开采，这是问题的关键所在。

数字化抽油机是集数据采集、传输和远程控制多种功能于一体的多功能抽油机，配有多种数字化设备，主要包括：数字化抽油机智能控制柜、三项电参采集器、电动机变频控制、一体化载荷悬绳器、传感器、平衡调节装置等这些设备共同承担着对油井参数进行采集、传输、数据分析、对抽油机进行远程启停控制对抽油机的运行状态进行报警，根据井口参数，对最佳的冲速进行判断、调节，利用动平衡达到节约能源的目的，通过无线传输，将后台分析的结果转化成信号，传递给变频器，通过调整将电动机的输入频率调整到最佳状态，使抽油机平衡效果更好，驱动电动机使用寿命更长，功率更小，提高生产效率的同时节约了人工、电量消耗等成本，减少了设备损耗和维修费用[6]。

通过实际测算，数字化抽油机与同一型号的常规抽油机相比电动机功率因数和地面效率更高，平衡度更好，无功功率更低，这些也都表明了数字化抽油机在节能方面的作用。

3 结论

总之，今天信息时代，网络技术，计算机技术，自动化仪器仪表也将成为高新技术中的一员，工业自动化仪器仪表技术已经得到了更新，并不断向节能减排的领域拓展。节能已成为普遍关注的主题，成为了我国工业发展的前提条件与方向，这关系到我国整个经济体系的发展，同时，也关系到企业的自身利益，环保、节能、创效必然是新时代企业应该具备的基本素质。