物聯(lián)網(wǎng)在油氣行業(yè)節(jié)能降耗的研究

何新宇 孫茜

摘 ?要：為解決電動機(jī)運(yùn)行效率低及游梁式抽油機(jī)“大馬拉小車”、能耗高、倒發(fā)電等問題，圍繞抽油機(jī)能耗影響因素，以電能剛好滿足抽油機(jī)的工作效率為原則，通過變頻及能量回饋控制技術(shù)、雙功率節(jié)能電機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化，消除倒發(fā)電對電網(wǎng)的影響，使每一口井減少不必要的能源浪費(fèi)。在保證供液量與產(chǎn)液量平衡的前提下，提高抽油機(jī)的采收率和節(jié)能效率，降低生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：抽油機(jī);節(jié)能降耗;變頻;能量回饋

中圖分類號：TE9 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 背景

隨著油田的持續(xù)開采，地下原油儲量不斷下降，國際油價(jià)持續(xù)下跌，節(jié)能降耗問題成為油田可持續(xù)發(fā)展的重中之重。游梁式抽油機(jī)作為目前油氣開采過程中最大的耗電設(shè)備，在能源消耗方面主要存在2個問題。一方面，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，游梁式抽油機(jī)采用的電動機(jī)的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需功率，導(dǎo)致電動機(jī)經(jīng)常處于輕載狀態(tài)，造成電動機(jī)資源的浪費(fèi);另一方面，在游梁式抽油機(jī)的一個工作循環(huán)中，抽油桿、抽油泵和油液柱下落釋放的位能大部分轉(zhuǎn)化為電能而回饋給電網(wǎng)，部分被吸收的電能因不穩(wěn)定性易引起主回路母線電壓升高，導(dǎo)致電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，功率因數(shù)降低。為此組建了專門的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，致力于對智能控制技術(shù)進(jìn)行深入研究，優(yōu)化抽油機(jī)運(yùn)行參數(shù)，突破傳統(tǒng)抽油機(jī)節(jié)電方式，提高抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率和電網(wǎng)功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的節(jié)電降耗。

2 解決思路

2.1 理論依據(jù)

抽油機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由采集傳感器、遠(yuǎn)程控制單元（RTU）、測控軟件、變頻器等構(gòu)成。前端采集設(shè)備將單井實(shí)時數(shù)據(jù)（油壓、套壓、三相電參數(shù)、動液面、沖程、沖次等）傳至RTU，RTU（自帶測控軟件）通過功圖分析，自動判識油井供采平衡關(guān)系，根據(jù)不同的油井供液狀況計(jì)算出最佳沖次，從而自動調(diào)整電機(jī)頻率和轉(zhuǎn)速，使抽油機(jī)的沖次與井下供液實(shí)現(xiàn)同步， 保證滿載運(yùn)行， 達(dá)到提高泵效， 節(jié)能降耗的目的。

能量回饋控制裝置由有源逆變器和電容器組成，可以實(shí)時測量再生發(fā)電能量的大小，并將發(fā)電能量的90%以上及時送回電網(wǎng)，使饋入電網(wǎng)的電能與電網(wǎng)電壓同頻同相同波形，使系統(tǒng)的功率因數(shù)接近于1，達(dá)到綠色、環(huán)保、節(jié)能的目的。

綜合各方面因素，我們研發(fā)了基于變頻調(diào)速和能量回饋控制的抽油機(jī)智能節(jié)電控制系統(tǒng)，上沖程時滿負(fù)荷功率運(yùn)行的省電型閉環(huán)控制方式和下沖程時再生電量的回饋電網(wǎng)方式搭配間抽的工作模式，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的高效運(yùn)行節(jié)能降耗。

2.2 技術(shù)創(chuàng)新

智能調(diào)參技術(shù)。RTU根據(jù)功圖可自動判識油氣井供采平衡關(guān)系，計(jì)算最佳沖次，通過變頻器實(shí)現(xiàn)單井自動調(diào)節(jié)沖次、手動調(diào)節(jié)沖次和遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)沖次3種控制模式。

動態(tài)平衡調(diào)節(jié)技術(shù)。自主研發(fā)的RTU可根據(jù)電參數(shù)和功圖計(jì)算出抽油機(jī)當(dāng)前的平衡狀態(tài)，通過自動控制平衡電機(jī)對抽油機(jī)進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能保護(hù)設(shè)備的目的。

智能間開技術(shù)。優(yōu)化間開井的工作時間，制定科學(xué)的間開制度，確定啟停抽時間，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，降低開采成本。結(jié)合單井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)，再綜合當(dāng)前油價(jià)、電價(jià)等客觀因素，確定生產(chǎn)主頻，當(dāng)產(chǎn)量低于經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量或抽空時，及時停抽，待液面恢復(fù)到經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量之上并可持續(xù)生產(chǎn)，再啟抽生產(chǎn)。

毫秒級聯(lián)鎖保護(hù)技術(shù)。通過對采集到的地面示功圖和電參，診斷出單井工況類型，并將診斷結(jié)果反饋給采集控制終端（RTU），經(jīng)過算法判斷，實(shí)現(xiàn)單井的預(yù)警或控制，可達(dá)到本地、毫秒級聯(lián)鎖保護(hù)。

雙功率節(jié)能電機(jī)技術(shù)。由電流互感器和電流采集電路，對電機(jī)工作時的電流信號進(jìn)行衰減、濾波、整流，實(shí)時采集電流，RTU每隔5 min計(jì)算電流的平均值，根據(jù)平均電流進(jìn)行大小功率之間的切換判斷。如果電流小于小功率額定電流，就將電源切換到電機(jī)的小功率繞組;如果大于小功率的額定電流，就將電源切換到電機(jī)的大功率繞組。

電機(jī)雙保護(hù)技術(shù)。一方面，在抽油機(jī)運(yùn)行過程中，RTU實(shí)時監(jiān)視主電機(jī)的電流、電壓值，如果超過設(shè)定最大值一定時間（超限時間）時， RTU控制主電機(jī)供電斷開，停止運(yùn)行。另一方面，在抽油機(jī)工頻運(yùn)行過程中，當(dāng)出現(xiàn)過載、過流、過壓、短路、缺相等故障時，綜合電機(jī)保護(hù)器將自動斷開，對電機(jī)起保護(hù)作用。

柔性啟動技術(shù)。把電機(jī)啟動電流降低3～4倍，保護(hù)電機(jī)和機(jī)械設(shè)備。

3 應(yīng)用效果

我們將配電、變頻、能量回饋、數(shù)據(jù)采集4個部分合為一體，配合間抽的工作方式，在保證供采平衡的前提下，根據(jù)不同類型的抽油機(jī)以及不同情況下的動液面、噸液百米耗電和泵效等對單井實(shí)施節(jié)電。自主研發(fā)了抽油機(jī)智能節(jié)電綜合測控柜，開發(fā)RTU內(nèi)置智能控制芯片，實(shí)現(xiàn)本地智能調(diào)參、動平衡調(diào)節(jié)等功能，優(yōu)化抽油機(jī)運(yùn)行參數(shù)，研發(fā)電機(jī)能量回饋控制裝置，消除回饋電能對電網(wǎng)的影響，提高電網(wǎng)功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)本地單井產(chǎn)量計(jì)算、桿柱應(yīng)力分析、泵效組成分析、報(bào)警預(yù)警等功能，提高抽油機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

委托華北石油管理局節(jié)能監(jiān)測站進(jìn)行了現(xiàn)場對比檢測，通過對原配電柜和智能節(jié)電柜2個工況的檢測數(shù)據(jù)對比，根據(jù)監(jiān)測時間內(nèi)抽油機(jī)井噸液百米耗電量的變化情況，平均綜合節(jié)電12.54%，功率因數(shù)由0.2提高至0.7上下，抽油機(jī)平衡度達(dá)到0.85以上。

4 結(jié)語

隨著油田的開發(fā)建設(shè)，對電力線路進(jìn)行無功補(bǔ)償將是我們接下來的研究方向，在充分考慮環(huán)境因素的前提下，未來將圍繞單井、電網(wǎng)線路、變壓器3個方面實(shí)施節(jié)電，達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)，使油田生產(chǎn)的現(xiàn)代化管理水平達(dá)到一個新的高度，實(shí)現(xiàn)高水平、高效率、高運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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