抽油機平均有功功率節(jié)能率的計算方法

馬中山（中國石油天然氣集團公司西北油田節(jié)能監(jiān)測中心）

在油田生產(chǎn)設(shè)備中，抽油機是最重要、也是數(shù)量最大的耗能設(shè)備。由于現(xiàn)有常規(guī)抽油機普遍存在運行效率較低、能源利用率較差的問題，因此，針對抽油機開發(fā)的各類節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品也是種類繁多、技術(shù)各異。準確測定各類節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品的節(jié)能率是評價其節(jié)能效果的關(guān)鍵指標。

1 現(xiàn)狀與存在問題

石油行業(yè)標準SY/T 6422《石油企業(yè)用節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定》中，規(guī)定了抽油機用節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品的節(jié)能率的計算方法，它分為不變工況和變工況兩種情況[1]，兩種工況下的計算方法表示如下：

不變工況

式中：——有功功率節(jié)能率，%；

——應(yīng)用節(jié)能產(chǎn)品后噸液提升百米揚程有功功率耗電量，kWh/(100 m·t)。

變工況

式中：ξjg——節(jié)能率，%；

——應(yīng)用節(jié)能產(chǎn)品前機械采油系統(tǒng)產(chǎn)液單耗，kWh/t；

——應(yīng)用節(jié)能產(chǎn)品后機械采油系統(tǒng)產(chǎn)液單耗，kWh/t。

標準給出的計算公式，僅僅是針對單臺抽油機節(jié)能率的計算方法。但在實際節(jié)能產(chǎn)品評價測試過程中，一般不會采用單臺設(shè)備的測試數(shù)據(jù)來評定其節(jié)能效果，通常是測試多臺抽油機，以多臺抽油機的平均節(jié)能率作為該節(jié)能產(chǎn)品的節(jié)能效果評價指標。這種評價方法不僅更科學(xué)，而且也更公平。

由于在標準SY/T 6422《石油企業(yè)用節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定》中，沒有給出平均節(jié)能率的計算方法，導(dǎo)致抽油機用節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品計算平均節(jié)能率的方法不能統(tǒng)一，計算結(jié)果也差別較大，有的方法甚至可能出現(xiàn)錯誤的結(jié)論，直接影響了抽油機用節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品的正確評價。

根據(jù)標準SY/T 6422《石油企業(yè)用節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定》中給出的單臺抽油機節(jié)能率的計算方法，不同條件下，抽油機用節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品的節(jié)能率可以采用噸液百米單耗或產(chǎn)液單耗來計算。因此，多臺抽油機平均節(jié)能率的計算也通常首先考慮使用平均噸液百米單耗或平均產(chǎn)液單耗來計算。計算的方法有加權(quán)平均和算術(shù)平均兩種方法。另外，還可以考慮采用單臺抽油機節(jié)能率的算術(shù)平均值作為多臺抽油機的平均節(jié)能率，但在實際測試計算過程中，上述方法存在兩方面的問題。

1）平均節(jié)能率大于節(jié)能技術(shù)的理論值。在某廠15臺抽油機普通電動機更換為高轉(zhuǎn)差電動機的改造項目中，根據(jù)改造前后測試數(shù)據(jù)，按照不同計算方法計算節(jié)能率結(jié)果如表1所示。

表1 抽油機更換高轉(zhuǎn)差電動機節(jié)能率計算結(jié)果

15臺抽油機改造后的沖速、沖程及油井產(chǎn)液量、動液面變化超出了SY/T6422《石油企業(yè)用節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定》中對不變工況的要求，根據(jù)標準要求應(yīng)采用產(chǎn)液單耗計算單臺抽油機的節(jié)能率?？紤]到噸液百米單耗也是計算抽油機節(jié)能率的重要參數(shù)，表1也列出了采用噸液百米單耗計算的抽油機節(jié)能率。

高轉(zhuǎn)差電動機的節(jié)電原理，可以用較小容量的電動機取代目前較大容量的普通電動機做到合理的功率匹配，從而減少其固定損耗；可以大大減少乃至消除抽油機運行時的發(fā)電狀態(tài)，減少了能量無益?zhèn)鬟f過程中的損耗；這種電動機具有平坦的效率特性曲線，負載率在20%～40%時，其效率基本處于70%～80%之間，高于普通電動機，就節(jié)能而言，抽油機匹配高轉(zhuǎn)差電動機是合理的[2-3]。

根據(jù)理論計算及專家經(jīng)驗，高轉(zhuǎn)差電動機與普通電動機相比，高轉(zhuǎn)差電動機的效率和功率因數(shù)均有所提高，經(jīng)現(xiàn)場測試比對，其有功節(jié)電率為10.5%[4]。

由表1可知，采用產(chǎn)液單耗計算的節(jié)能率最大值為44.05%，最小值為0%，算術(shù)平均值為19.74%。用產(chǎn)液單耗加權(quán)平均值計算的平均節(jié)能率為26.83%，用產(chǎn)液單耗算術(shù)平均值計算的平均節(jié)能率為22.50%，各種方法計算的抽油機平均節(jié)能率均遠遠高于理論數(shù)據(jù)。

而采用噸液百米單耗計算出的抽油機平均節(jié)能率中，除單臺節(jié)能率算術(shù)平均值外，其他兩種算法所得的抽油機平均節(jié)能率也明顯偏高。說明上述兩種方法不適用于抽油機用節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品平均節(jié)能率的計算。

2）計算結(jié)果矛盾。在某廠13臺抽油機普通電動機更換為永磁電動機的改造項目中，根據(jù)改造前后測試數(shù)據(jù)，按照不同計算方法計算節(jié)能率結(jié)果如表2所示。

表2 抽油機更換永磁電動機節(jié)能率計算結(jié)果

永磁電動機是一種高效節(jié)能產(chǎn)品，與感應(yīng)電動機相比，可以顯著提高功率因數(shù)，減少定子電流和定子電阻損耗，在穩(wěn)定運行時沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，其效率比同規(guī)格電動機提高2%～8%。永磁同步電動機在25%～120%額定負載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運行時節(jié)電效果更為顯著。由于啟動轉(zhuǎn)距較異步電動機大，額定功率可以比異步電動機降低一個等級。以某油田企業(yè)為例，某采油廠把異步電動機更換為永磁同步電動機，通過測試對比，其平均有功節(jié)電率為6.07%，平均綜合節(jié)電率為24.61%[5-6]。

由表2可知，采用產(chǎn)液單耗以各種方法計算的抽油機平均節(jié)能率偏大，采用噸液百米單耗計算的抽油機加權(quán)平均節(jié)能率，既然大于單臺抽油機以噸液百米單耗計算的節(jié)能率最大值，這是明顯不符合邏輯的，說明這種計算方法本身在理論上就存在問題。

2 計算方法分析

抽油機用節(jié)能技術(shù)或節(jié)能產(chǎn)品的節(jié)能效果受到的影響因素很多，在沒有標準裝置的情況下，采用在生產(chǎn)現(xiàn)場安裝節(jié)能設(shè)備前后的測試數(shù)據(jù)評價其節(jié)能效果，也是無奈之舉。生產(chǎn)現(xiàn)場單臺設(shè)備的測試結(jié)果必然會有相當大的偶然性，但如果測試數(shù)量足夠大，測試結(jié)果的平均值可以反映節(jié)能設(shè)備的節(jié)能效果，關(guān)鍵是如何計算平均節(jié)能率。

采用平均噸液百米單耗或平均產(chǎn)液單耗計算平均節(jié)能率，其理論依據(jù)是：首先計算多臺抽油機改造前后的平均噸液百米單耗或產(chǎn)液單耗，再按照單臺抽油機節(jié)能率的方法計算多臺抽油機的平均節(jié)能率。但是，由于抽油機設(shè)備運行工況復(fù)雜，運行參數(shù)受各方面因素影響較大，使最終計算的平均節(jié)能率可能出現(xiàn)不合理甚至矛盾的現(xiàn)象。

表3 累計節(jié)電功率法平均節(jié)能率計算結(jié)果

采用單臺抽油機節(jié)能率的算術(shù)平均值作為多臺抽油機的平均節(jié)能率，就忽略了不同抽油機功率大小、節(jié)能效果多少對總體平均節(jié)能率的作用和影響，也存在不合理性。

為避免上述各種計算方法存在的問題，經(jīng)過對節(jié)能率基本定義的分析，借鑒SY/T 5264《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》中抽油機平均系統(tǒng)效率的計算理論[7]，特提出采用累計節(jié)電功率計算平均節(jié)能率的方法。該方法與上述各種方法的不同點在于采用多臺抽油機實際累計節(jié)電功率，是抽油機實際節(jié)電效果的真實體現(xiàn)，是一種直接計算節(jié)能率的方法。它不同于采用平均噸液百米單耗或產(chǎn)液單耗的間接計算方法，因而避免了平均節(jié)能率計算結(jié)果出現(xiàn)不合理或矛盾的現(xiàn)象，同時也可以體現(xiàn)抽油機功率大小、節(jié)能效果多少對平均節(jié)能率的作用和影響。

采用累計節(jié)電功率計算平均節(jié)能率的計算公式如下：

式中：ξjy——平均有功節(jié)能率，%；

ξiy——第i臺抽油機的有功節(jié)能率，%；

Pi1——第i臺抽油機改造前電動機消耗有功功率，kW。

3 方法驗證

采用累計節(jié)電功率法，對前述更換高轉(zhuǎn)差電動機的15臺抽油機改造項目和更換永磁電動機的13臺抽油機改造項目平均節(jié)能率重新進行計算，并且在更換永磁電動機的13臺抽油機中挑選出沖程、沖速及油井產(chǎn)液量、動液面等運行參數(shù)波動不大3口井，采用平均噸液百米單耗計算平均節(jié)能率（表3）。

由表3可知，采用累計節(jié)電功率法計算15臺抽油機更換高轉(zhuǎn)差電動機的平均有功節(jié)能率為13.47%，13臺抽油機更換永磁電動機的平均有功節(jié)能率為8.75%，3臺更換永磁電動機后運行參數(shù)波動不大的抽油機平均有功節(jié)能率為8.72%；采用平均噸液百米單耗計算3臺更換永磁電動機后運行參數(shù)波動不大抽油機的平均有功節(jié)能率為7.94%。

從上述計算結(jié)果看，采用累計節(jié)電功率法計算的平均有功節(jié)能率，與所采用節(jié)能技術(shù)的理論節(jié)能率基本對應(yīng)，沒有出現(xiàn)不合理的矛盾現(xiàn)象。并且，3臺更換永磁電動機后運行參數(shù)波動不大的抽油機平均有功節(jié)能率與13臺抽油機總體的平均節(jié)能率非常相近，而且采用平均噸液百米單耗與采用累計節(jié)電功率法計算的平均有功節(jié)能率也比較接近，符合理論分析結(jié)果。

4 結(jié)論

采用累計節(jié)電功率法計算抽油機的平均節(jié)能率，是根據(jù)節(jié)能的基本定義直接計算節(jié)能率的方法，其核心內(nèi)涵是節(jié)能率的加權(quán)平均。該方法可以有效避免其他計算方法可能產(chǎn)生的與節(jié)能技術(shù)不對應(yīng)、不合理或矛盾的計算結(jié)果，是全面、準確評價節(jié)能技術(shù)或節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果的有效方法。抽油機變工況下的平均節(jié)能率也同樣可以參照此方法進行計算。

[1]石油工業(yè)節(jié)能節(jié)水專業(yè)標準化技術(shù)委員會.石油工業(yè)用節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定：SY/T 6422—2016[S].北京：石油工業(yè)出版社，2016：2-3.

[2]吳付生.超高轉(zhuǎn)差率電動機的應(yīng)用及效果[J].電氣開關(guān)，2009（1）：68-69.

[3]宋濤.抽油機工況下電機效率理論分析及實驗研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2011.

[4]李德格，袁秀堂，張君，等.提高機采系統(tǒng)效率的措施及建議[J].油氣田地面工程，2014，33（3）：7.

[5]李東波，李嘉煒，鞏建衛(wèi)，等.油田抽油機電機節(jié)能方式探討[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（8）：63.

[6]蘇小雨，姚安梅.游梁式抽油機兩種電機驅(qū)動的對比[J].沿海企業(yè)與科技，2009（4）：40-42.

[7]石油工業(yè)節(jié)能節(jié)水專業(yè)標準化技術(shù)委員會.油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法：SY/T 5264—2012[S].北京：石油工業(yè)出版社，2012：10-11.