双碳目标下机采节能设备优选与合理应用研究

贾雪峰 薛国锋（吉林油田公司）

随着国家双碳战略目标的确定，各企业积极响应国家号召，主动承担社会责任。油田作为能源生产和消耗大户，在保障国家能源安全的同时，积极规划、主动推进、大力实施碳中和措施。目前碳中和措施主要包括节约能源、清洁替代、碳埋存和汇林工程，而四项措施的基础是节约能源，节能是最大的减排。油田机采系统以耗电为主，占油田总耗电的60%以上，做好机采系统节能工作，对于碳中和意义重大。机采节能设备种类繁多、原理各异、节能效果也存在差异。为优选效果较好的节能设备、科学界定应用环境、提高节能设备应用效果，达到最大限度减排，开展了该项研究。

1 总体思路

机采系统节能主要通过应用节能设备、优化设备运行参数、提高设备运行效率来实现[1]。油田机采系统常用的节能设备包括节能电动机、配电箱、变频器等[2]。针对油田现场实际，优选了常用的15种设备，包括8种电动机、5种配电箱、2种变频器，应用节能评价模拟井，对其进行了综合评价[1]。

评价节能设备，以普通异步电动机和常规配电箱为对比基础，通过应用模拟井调整供电电压、油压、套压、冲次等参数，测试安装节能设备前后配电箱输入端、电动机输入端电参数变化，对比各工况下设备的节能效果，给出评价结论。

2 评价方法

电动机评价，选择普通三相异步电动机作为对比对象，其他电动机以该电动机作为参考，评价不同工作制度和工作环境下节能效果[3]。配电箱评价，选择模拟井本身的常规电控作为对比对象，其他配电箱与其对比，评价不同配电箱的节能效果。变频器评价，因为变频器的主要作用是调参节能，主要评价变频器的工作特性，以及对电网的影响情况，同时对比皮带轮调参评价是否有节能效果。交叉评价，对每种设备单独评价的同时，对可以交叉使用的设备，评价两种设备共同应用效果，了解设备的组合应用可能性。

3 评价结果

3.1 节能电动机

3.1.1 同一工作制度下不同类型电动机节能效果对比

应用模拟井测试设备，在同一口油井，应用不同的电动机进行举升拖动，在工作环境不变的情况下，得出如下测试结果。对比普通异步电动机，双速电动机不但没有节能效果，耗能量还高于三项异步电动机，超高转差电动机和稀土电动机，在负载率20%以上的情况下，节能均达到10%以上，稀土电动机节能效果好于超高转差电动机，达到13.34%。通过优选节能设备，可提高减碳量达到13%以上，同一工作制度下不同类型电动机节能效果对比见表1。

表1 同一工作制度下不同类型电动机节能效果对比

3.1.2 不同负载率下不同电动机节能效果对比

油井工作参数包括冲程和冲次，常规四连杆抽油机，调整冲次相对容易实现，通过调整冲次，可以模拟油井不同的工作制度，间接调整电动机的负载率，评价电动机在不同功率利用率下节能效果。通过表2测试数据对比可以看出。在同一工作制度下，与普通异步电动机比较，除了双速电动机，其它电动机均有节能效果，而且节能效果随着负载率的降低出现规律性变化。

表2 不同负载率电动机节能效果对比

其中双速电动机随着负载率的降低能耗越来越高；超高转差电动机随着负载率的降低节能效果越来越差，负载率低于15%时，没有节能效果；稀土电动机随着负载率的降低，节能效果越来越好，在评价的参数下，最高节能达到16.88%。

3.1.3 同一电动机不同装机功率能耗对比

通过应用模拟井测试，对比同一工作制度下，不同装机功率高转差电动机能耗情况，超高转差电动机节能效果对比见表3。根据测试数据对比，发现同一口井，装机功率越低的油井能耗越低，说明合理选择装机功率可以有效提高功率因数，降低能耗。减碳幅度可以达到6%以上。

表3 超高转差电动机节能效果对比

3.1.4 工作电压对稀土电动机影响评价

稀土电动机是节能效果较好的电动机，但是也有一定的应用环境限制，比如电压对稀土电动机影响较大，在额定电压附近功率因数最高能耗最小，功率因数可以达到0.95以上。工作环境电压偏离额定电压，功率因数变小，能耗增加。因此应用稀土电动机，一定注意保证其尽量工作在额定电压工况下。合理应用环境可以提高减碳效果达到7%，稀土电动机评价见表4。

表4 稀土电动机评价

3.2 节能控制装置

由于机采系统举升设计，充分考虑油井的各种工况和不同的举升阶段，油井开采初期产量较高，因此设计的电动机装机功率较大。随着油田开发进入中后期，部分油井出现产量下降，导致出现“大马拉小车”问题。合理降低电动机装机功率，可以实现节能效果，在不改变电动机的情况下，也可以通过“角星转换”变频器的方式来降低能耗。但是每种节能控制装置都有合理的应用环境，科学评价、合理应用节能控制装置，可以有效提高节能效果[4-5]。

3.2.1 星角转换型

通过测试评价，星角转换装置具有一定节能效果，但是也有一定的应用环境限制，对于负荷率较高的油井，不具有节能效果，合理优选“大马拉小车”的油井，可以实现减碳4%以上。同时电压的变化也影响控制效果，由于大部分油井都是一台变压器带多台抽油机，对于供电半径较大的油井，由于线路压降原因，导致末端电压降低，节能效果也随之变差，因此电压是影响减碳效果的较为敏感的因素，星角转换节能效果对比见表5。

表5 星角转换节能效果对比

3.2.2 变频器

变频器是通过改变频率的方式控制电动机转速，实现调整抽油机冲次实现节能。主要通过对比测试皮带轮和变频器调整到同样工作制度下的能耗情况，分析两者能耗差异；测试变频器输入端、电动机输入端能耗，评价变频器自身能耗；通过调整供电电压，测试变频器在不同工作环境下的节能效果差异。

通过对表6测试数据分析，用皮带轮和变频器调参，在达到同样冲次情况下，皮带轮调参能耗低于变频器调参能耗，说明变频器自身有能耗；在保证频率不变的情况下，调整供电电压，电压越低能耗越小，变频器自身能耗基本保持不变[6]。

表6 变频器评价效果

4 节能效果对减碳的影响

在“双碳”目标下，“开源节流”是关键，“开源”是从源头控制，在机采系统举升设计中，采用清洁能源作为举升动力，比如太阳能、风能，可以实现零碳排放，但是由于目前技术的成熟度、经济性等问题，无法大面积推广应用。“节流”就是通过提高设备运行效率，提高节能效果，实现减碳。对于新投产的油井，在方案设计过程中，通过优选节能举升方式、应用高效设备实现源头控制减碳；对于老井，可以通过优化工作制度、应用节能改造设备，合理降低油井能耗，实现减碳。

以机采系统耗电量每年70000×108kWh，通过加强管理、优化运行、合理应用节能设备等措施，按节能5%计算，节能量可以达到3500×106kWh，减碳规模可以达到27191t/a。相当于约9000辆2.0L排量汽车行驶1万公里碳排放量[7]。

5 结论

合理应用机采系统节能设备，科学确定应用环境，可以有效提高设备节能效果，达到最大限度的减少碳排放，从源头控制碳排放规模，助力国家“双碳”目标的实现。

通过本次评价，机采节能设备应用过程中，以下几方面结论可以借鉴：

1）双速电动机是非节能电动机，同工况下其耗电量高于普通异步电动机，除非有特殊的需求，尽量避免应用双速电动机。

2）稀土电动机节能效果明显，但应该注意应用环境，对于电压不稳定的区块和油井不适合应用稀土电动机；同时稀土电动机的节能效果与负载率有关，电动机负载率越小节能效果越好；稀土电动机功率因数高，整条线路改造，既可以节能，同时还可以降低网损，效果更为明显。

3）高转差电动机合理应用有节能效果，其节能效果随电动机负载率的降低，节能效果变差，达到15%以下，基本没有节能效果；由于转差率高，特性软，该电动机还有减少杆管磨损，提高免修器等作用。

4）节能配电箱主要解决的是“大马拉小车”问题，如果电动机负载率比较高，那么节能配电箱的基本没有节能效果。

5）变频器在调参的情况下有节能效果，主要是由于降低工作制度的原因，变频器本身也有耗电，因此，如果能够用皮带轮调参，尽量不要采用变频调参[8]。