節(jié)能保護(hù)技術(shù)在長慶油田水源井的應(yīng)用

張 倩，王林平，王 曼，覃 川

(1.長慶油田分公司油氣工藝研究院 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021)

0 問題的提出

截止 2012年 12月底，長慶油田開注水井12 604口，水源井開井1 956口，水源井電耗達(dá)到了14 684×104kW·h，能耗呈現(xiàn)逐漸上漲的趨勢。水源井系統(tǒng)生產(chǎn)中存在的主要問題有:

(1)水源井能耗較高。有1 956口水源井，年耗電量14 280×104kW·h，且每年以200口井左右的速度遞增。隨著供水量的調(diào)整，電機(jī)功率與供水需求不匹配，出現(xiàn)了“大馬拉小車”現(xiàn)象，電能浪費(fèi)較大。

(2)水源井動液面無法實(shí)時檢測，存在輕載和燒泵現(xiàn)象。目前水源井水位無法實(shí)時監(jiān)測，只能依靠修井時觀察，導(dǎo)致潛水泵空抽燒泵和輕載浪費(fèi)大量電能，同時潛水泵沒有保護(hù)裝置，啟動電流過大，易燒泵。上述兩種原因約占修井井次的30%左右，維護(hù)成本高，現(xiàn)有變頻節(jié)能技術(shù)解決不了潛水泵的空抽和輕載問題，無法根據(jù)液位控制潛水泵的啟停。

隨著電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，射頻物位檢測技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，射頻物位儀通過同時檢測電容和電阻較好地解決了被介質(zhì)的掛料測量誤差而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及過程控制的物位測量［1－5］。

基于以上問題及技術(shù)現(xiàn)狀，我們研發(fā)了水源井節(jié)能保護(hù)裝置。通過在水源井中增加射頻導(dǎo)納液位變送器裝置，以及電流信號轉(zhuǎn)換裝置獲取的水源井中的液位信息，控制潛水泵的啟停，應(yīng)用變頻恒壓供水技術(shù)實(shí)現(xiàn)了根據(jù)管網(wǎng)壓力控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了潛水泵的節(jié)能保護(hù)。

1 影響水源井能耗分析

水源井耗能設(shè)備主要是就潛水電泵的電機(jī)，電機(jī)功率的選擇主要取決于水源井日產(chǎn)水量、井深，井越深，潛水泵電機(jī)揚(yáng)程越大，日產(chǎn)水量越大，電機(jī)功率就越大。針對某一水源井，井深已經(jīng)確定，因此電機(jī)是影響水源井能耗的主要因素。

電機(jī)在工作時，分為有功功率和無功功率。異步電機(jī)所耗用的無功功率是由其空載時的無功功率和一定負(fù)載下無功功率增加值兩部分所組成［6］。所以要改善異步電機(jī)的功率因數(shù)就要防止電機(jī)的空載運(yùn)行并盡可能提高負(fù)載率。電機(jī)負(fù)載率小，則電機(jī)無功功率較大;反之，則電機(jī)無功功率較小。無功功率大，則系統(tǒng)效率低，能耗高。

2 水源井節(jié)能保護(hù)裝置的研發(fā)

根據(jù)生產(chǎn)和節(jié)能需求分析，減少空載和降低電機(jī)功率可以有效降低水源井能耗。因此，減少空載需要從監(jiān)測水位考慮，在潛水泵已經(jīng)選定的情況下，減低電機(jī)功率只能通過增加變頻改變，達(dá)到節(jié)能的目的。通過水位高低的設(shè)定控制變頻設(shè)備的啟停，將兩項(xiàng)技術(shù)集成應(yīng)用在一起，研發(fā)了水源井節(jié)能保護(hù)裝置。并在油田現(xiàn)場進(jìn)行了應(yīng)用。

2.1 水位動態(tài)監(jiān)控技術(shù)研究

經(jīng)過調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)外監(jiān)測水位的方法比較多，主要有雷達(dá)方法、阻芯體投入式壓力傳感器、電容式液位變送器測水位等，但監(jiān)測水位最深能達(dá)到150 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足油田水源井液位監(jiān)測的需要。經(jīng)過方案比選，選擇了可以測900 m深水位的一種射頻導(dǎo)納物位控制技術(shù)，即射頻導(dǎo)納技術(shù)。

射頻導(dǎo)納技術(shù)是一種新型物位測量方法，它能減小或消除由被測導(dǎo)電介質(zhì)電極掛料的測量誤差，是一種從電容式物位控制技術(shù)發(fā)展起來的，防掛液、更可靠、更準(zhǔn)確、適用性更廣的物位控制技術(shù)，是電容式物位技術(shù)的升級［7］。導(dǎo)納的含義為電學(xué)中阻抗的倒數(shù)，它由電阻性成分、電容性成分、感性成分綜合而成，物位變化時，導(dǎo)納值相應(yīng)變化，電路單元將測量導(dǎo)納值轉(zhuǎn)換成物位信號輸出，實(shí)現(xiàn)物位測量［8］。

應(yīng)用射頻導(dǎo)納技術(shù)，泵管為電容一個極，井底傳感器為一個極，水為電解質(zhì)。它采用導(dǎo)納測量方法將介質(zhì)的阻抗和容抗信息綜合在一起，以被測水介質(zhì)浸沒探極的高度變化，反映出頻率的變化，經(jīng)電路轉(zhuǎn)換與之對應(yīng)的4～20 mA電流信號輸出。

圖1 水源井水位監(jiān)控示意圖

2.2 變頻恒壓供水技術(shù)研究

2.2.1 恒壓供水節(jié)能潛力計(jì)算

設(shè)電動機(jī)額定功率為PN，額定轉(zhuǎn)速為nN，轉(zhuǎn)速為n時實(shí)際輸出功率為P，則節(jié)能(功率表示)△P可以表示為

2.2.2 變頻恒壓供水控制原理

水泵電機(jī)是輸出環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速由恒壓供水器控制，實(shí)現(xiàn)變流量恒壓控制。采用壓力傳感器檢測管網(wǎng)壓力，傳感器將檢測結(jié)果傳給可編程控制器PLC，經(jīng)過計(jì)算及優(yōu)化處理后，送出一個水量增加或減少信號，控制潛水泵轉(zhuǎn)速。出水管網(wǎng)的壓力信號與PLC管網(wǎng)壓力設(shè)定信號負(fù)反饋閉環(huán)［10］。

2.2.3 軟啟動節(jié)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)了潛水泵啟動的保護(hù)

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場水源井生產(chǎn)情況，選取了長慶采油三廠吳起油田1#、3#、10#三口水源井進(jìn)行了節(jié)能保護(hù)裝置的現(xiàn)場試驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)了動態(tài)精確檢測深水位、根據(jù)壓力自動無級調(diào)整流量、智能保護(hù)功能，解決了潛水泵功率偏大、空抽燒泵、能耗高的問題。為鞏固節(jié)能保護(hù)效果，我們又在股份公司節(jié)能示范區(qū)油房莊油田推廣應(yīng)用了20套，均達(dá)到了預(yù)期的效果。經(jīng)過兩年時間的運(yùn)行，保護(hù)裝置運(yùn)行正常，應(yīng)用后檢泵井次明顯下降。

我們對安裝了水源井節(jié)能保護(hù)裝置的電潛泵進(jìn)行了能耗測試，測試后潛水泵功率因數(shù)均達(dá)到了0.98，平均綜合節(jié)電率達(dá)到了25%以上，年節(jié)電量119.2×104kW·h，年節(jié)約電費(fèi)95.36萬元，年減少水源井修井費(fèi)用46萬元，有效降低了常規(guī)能源的消耗和水源井運(yùn)行成本。取得了顯著的節(jié)能效果。

表1 水源井節(jié)能保護(hù)裝置能耗測試效果表

4 結(jié)論與建議

(1)水源井節(jié)能保護(hù)技術(shù)集成應(yīng)用了射頻導(dǎo)納液位監(jiān)測、恒壓供水、軟啟動節(jié)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)在線監(jiān)控水位、根據(jù)壓力自動無級調(diào)整流量、智能保護(hù)功能，解決了潛水泵功率偏大、空抽燒泵、能耗高的問題;

(2)應(yīng)用該節(jié)能保護(hù)技術(shù)后，年節(jié)電量119.2× 104kW·h，有效降低了常規(guī)能源消耗，減少了二氧化碳排放量，適應(yīng)長慶油田建設(shè)和諧企業(yè)、綠色礦山的要求，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益;

(3)該裝置適合初期選擇潛水泵排量較大的水源井，隨著水量調(diào)整可應(yīng)用變頻控制裝置，減少空載狀態(tài)，降低電機(jī)運(yùn)行的無功功率，提高電機(jī)功率因數(shù)，降低電機(jī)能耗;

(4)鑒于水源井節(jié)能保護(hù)技術(shù)應(yīng)用較好的節(jié)能效果，建議在油田現(xiàn)場推廣應(yīng)用。

［1］路紅娟.射頻導(dǎo)納在導(dǎo)電介質(zhì)物位測量中的應(yīng)用［J］.信息技術(shù)，2010(5):136.

［2］麻雁，王建民.射頻導(dǎo)納技術(shù)在磁性物含量檢測中的應(yīng)用［J］.2008，7(4):69.

［3］王鑫.電容式射頻導(dǎo)納物位計(jì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［C］.第十屆工業(yè)儀表與自動化學(xué)術(shù)會議.

［4］王新舉.關(guān)于射頻導(dǎo)納物位控制器的探討［J］.科技致富向?qū)В?011(18).

［5］韓曉東，邱德君.射頻導(dǎo)納原理在料位測量中的作用［J］.中國計(jì)量，1998(10):43－44.

［6］鐘功祥，梁政，等.提高機(jī)抽井系統(tǒng)效率的重要措施［J］.鉆采工藝，2003，26(3):50－52.

［7］張超，蔡萍，等.射頻導(dǎo)納物位測量中的同步采樣技術(shù)研究［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2004(2):52－53.

［8］陳平，沙訓(xùn)，等.射頻導(dǎo)納電容式物位測量儀的研究［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2006(7):19－20.

［9］江一歌.BC2000變頻器在深井潛水泵中的應(yīng)用［J］.江西煤炭科技，2012(2):57.

［10］呂惠芳.基于PLC恒壓供水系統(tǒng)中PID控制器的實(shí)現(xiàn)［J］.重慶文理學(xué)院學(xué)報，2009，28(1).