抽油機節(jié)能電控裝置綜述（1）

　　1 概述

　　自從100多年前，以燃燒石油制品為動力的機器誕生以來，對石油的需求量飛速增長，也為石油工業(yè)的發(fā)展提供了契機。隨著采油業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生了被廣泛使用的油井舉升設(shè)備——抽油機。

　　抽油機的種類繁多，技術(shù)發(fā)明有數(shù)百種。從采油方式上可分為兩類，即有桿類采油設(shè)備和無桿類采油設(shè)備。有桿類采油設(shè)備又可分為抽油桿往復(fù)運動類(國內(nèi)外大量使用的游梁式抽油機和無游梁式抽油機)和旋轉(zhuǎn)運動類(如電動潛油螺桿泵);無桿類采油設(shè)備也可分為電動潛油離心泵，液壓驅(qū)動類(如水力活塞泵)和氣舉采油設(shè)備。

　　目前，應(yīng)用最為廣泛的是游梁式豎井抽油機采油系統(tǒng)，如圖1所示。由圖1可見，該系統(tǒng)由3部分組成，即地面部分——游梁式抽油機，它由電動機、減速箱和四連桿機構(gòu)(包括曲柄、連桿和游梁)等組成，詳細結(jié)構(gòu)見圖2;井下部分——抽油泵(包括吸入閥、泵筒、柱塞和排出閥等)，它懸掛在套管中油管的下端，可分為桿式泵和管式泵;聯(lián)接地面抽油機和井下抽油泵的中間部分——抽油桿柱，它由一種或幾種直徑的抽油桿和接箍組成。

　　我國的油田不像中東的油田那樣有很強的自噴能力，多為低滲透的低能、低產(chǎn)油田，大部分油田要靠注水壓油入井，再用抽油機把油從地層中提升上來。以水換油或者以電換油是我國油田的現(xiàn)實，因而，電費在我國的石油開采成本中占了相當(dāng)大的比例，所以，石油行業(yè)十分重視節(jié)約電能。

　　目前，我國抽油機的保有量在10萬臺以上，電動機裝機總?cè)萘吭?500MW，每年耗電量逾百億kW·h。抽油機的運行效率特別低，在我國平均效率為25.96%，而國外平均水平為30.05%，年節(jié)能潛力可達幾十億kW·h。除了抽油機之外，油田還有大量的注水泵、輸油泵和潛油泵等設(shè)備，總耗電量超過油田總用電量的80%，可見，石油行業(yè)也是推廣“電機系統(tǒng)節(jié)能”的重點行業(yè)。

　　抽油機節(jié)能包括節(jié)能型抽油機和抽油機節(jié)能電控裝置的研制與推廣兩個方面，對此兩大技術(shù)的研究方興未艾。介紹和宣傳的文章很多，眾說紛紜，莫衷一是。廠家的產(chǎn)品性能介紹亦有“王婆賣瓜”之嫌。因此，有必要將目前常見的幾種類型的抽油機節(jié)能電控裝置作一個科學(xué)的分析比較，以供用戶選用時參考。在全國各油田進行試驗或已投運的節(jié)能電控裝置不下數(shù)十種之多，大體上可以分為5種類型，下面分別加以討論。

　　2 間抽控制器(POC)

　　由于抽油機是按照油井最大化的抽取量來進行選擇的，并且還留有設(shè)計余量。另外，隨著油井由淺入深的抽取，井中液面逐漸下降，泵的充滿度越來越不足，直到最后發(fā)生空抽的現(xiàn)象，如果不加以控制，就會白白地浪費大量的電能。對于這種油井，最簡單的方法是實行間抽，即當(dāng)油井出液量不足或發(fā)生空抽時，就關(guān)閉抽油機，等待井下液量的蓄積，當(dāng)液面超過一定深度時，再開啟抽油機，這樣就提高了抽油機的工作效率，避免了大量的電能浪費。

　　間抽控制的原始做法是派人定時到油井去開停抽油機，即使在發(fā)達國家，目前也還有不少油井采用這種人工控制方式，以便解決抽油機的低效和浪費問題。這種做法每天要派人去井場操作好幾次，經(jīng)過長期試驗才能摸索出適合各油井的間抽規(guī)律，費工費時。于是就引入了定時鐘，只須設(shè)定開、停機時間，便能自動地進行間抽控制，但是，這仍然無法解決令抽油機的工作能力動態(tài)地響應(yīng)油井負荷的變化，以達到最佳的節(jié)能效果，同時，還有可能會影響油井的產(chǎn)量。

　　為了解決上述問題，通過安裝相關(guān)的傳感器，精確感知油井負荷的動態(tài)變化，實現(xiàn)智能間抽控制(IPOC)。為此，可采用各種不同的傳感器達到控制目的，下面分別予以介紹。

　　2.1 液面探測器

　　如果能直接測出井中的液面，那么就可以用它來控制抽油機的運行。當(dāng)液面高度超過泵時，就啟動抽油機;當(dāng)液面降到泵的吸入口處時，就關(guān)閉抽油機，避免空抽的發(fā)生。早期的方法是使用永久式的井下壓力傳感器來檢測液面，現(xiàn)代則是利用聲波裝置從地面上自動監(jiān)測井下液面深度，但是，由于裝置復(fù)雜，維修費用高而沒有得到普及。

　　2.2 流量傳感器

　　在井口通過流量傳感器檢測油井的出液量，是實現(xiàn)抽油機控制最直接，也是最有效的方法。但是，由于國內(nèi)的油井產(chǎn)量太低，有些油井的產(chǎn)量每天只有幾m3，甚至不足1m3，合10cm3/s。這么小的流量檢測，對于各種類型的流量傳感器來講都是一個難題，再加上井中采出的油液中含有大量的泥沙和蠟塊，經(jīng)常會發(fā)生堵塞現(xiàn)象，因而也未能獲得推廣應(yīng)用。

　　2.3 電機電流傳感器

　　應(yīng)當(dāng)說，電機電流的檢測是最方便、最可靠，也是最為廉價的方法。當(dāng)發(fā)生空抽時，下沖程開始時游動閥并沒有打開，光桿載荷為桿柱重量及游動閥上部液柱的重量之和，可平衡掉大部分的配重的重量，電動機只要用很小的能量就可將桿柱送入井底，電機電流較小;當(dāng)油井中泵的充滿度較高時，下沖程開始不久，游動閥即打開，泵中液面托住了游動閥上部的液柱重量，并且使抽油桿柱也浸沒在液體中，因而光桿載荷只是桿柱在液體中的浮重，這也就意味著電機將用較大的能量來舉起曲柄或游梁尾部的平衡塊的重量才能將桿柱送入井底，因而電流就較大。

　　在下沖程時設(shè)置一個設(shè)定值，當(dāng)發(fā)生空抽時，實際電流將降至此值以下，控制器就關(guān)閉抽油機。也可通過電機的平均電流進行檢測，從實際平均電流的下降中也可很容易地鑒別出空抽的發(fā)生。但是，電流的檢測受到抽油機配重的影響而使實際的電機電流變得很難控制，絕不像某些膚淺的文章中所描述的那樣，是近似方波的電流波形。實際的抽油機電動機的扭矩(電流)曲線如圖3所示。這種不規(guī)則的扭矩(電流)曲線，只有通過抽油機的機械結(jié)構(gòu)和平衡曲線的改變方能改變，而不是通過電控裝置可以實現(xiàn)的，因此，這是一個機電一體化的系統(tǒng)工程問題。

　　圖3 采用普通異步電動機的標準抽油機上的慣性扭矩當(dāng)量

　　2.4 抽油桿載荷傳感器

　　普遍采用的方法是通過特制的傳感器，對抽油機的光桿載荷進行檢測，因為，光桿載荷是井下泵運行情況的最好監(jiān)視器，并且它不受平衡配重的影響。泵的充盈系數(shù)(包括空抽)通過對抽油桿載荷的分析可以很容易地被檢測出來。另外，更重要的是抽油桿載荷數(shù)據(jù)，加上抽油桿位置的信息，正是分析井下工況的“示功圖”的必備數(shù)據(jù)，利用這些信息可對抽油機的運行情況進行全面的分析。

　　在光桿或游梁上安裝測力傳感器可以測出抽油桿的載荷數(shù)據(jù)。光桿測力傳感器比較準確，但易于損壞;安裝在游梁上的傳感器準確度比較低，但比較耐用。國內(nèi)已有抽油機專用的測力傳感器產(chǎn)品。利用載荷傳感器的數(shù)據(jù)繪制的示功圖，檢測抽空控制設(shè)備的工作原理如圖4所示。

　　抽空控制最可靠的一個方法是計算光桿所做的機械功，因為，機械功與被示功圖所封閉的面積成正比，所以，空抽表明輸入到系統(tǒng)中的能量減少，只須計算示功圖的面積或一部分面積即可檢測抽空條件。其方法包括在示功圖上設(shè)定兩條垂直線，計算這兩條抽油桿位置線之間示功圖的面積或曲線下面的面積，如果用示功圖里面的面積，可檢測出圖4中的面積1減少了;如果用示功圖下面的面積，則可檢測出面積2增加了。

　　(a) 抽油桿載荷傳感在設(shè)定點處的桿載荷

　　(b) 變化的載荷量

　　(c) 抽油桿所做的機械功

　　圖4 監(jiān)測抽油桿載荷裝置的抽空控制設(shè)備的工作原理

　　同時，也可像電機電流信號一樣，通過計算光桿載荷平均值的辦法來檢測抽空的發(fā)生，較高的載荷平均值表示有可能發(fā)生空抽，而較低的載荷平均值則表示油井中液量多。

　　總之，間抽控制器的優(yōu)點和經(jīng)濟效益是顯而易見的。

　　1)由于縮短了抽油時間，大大減少了能量消耗。但是，在用人工控制和定時自動控制間抽時，由于惟恐減產(chǎn)，幾乎都會發(fā)生實際抽油時間比必要的抽油時間長的情形，因而不能完全避免空抽。通過傳感器信號實現(xiàn)閉環(huán)控制的智能間抽控制器(IPOC)，在檢測到空抽時立即關(guān)閉抽油機，避免了空抽的發(fā)生，平均可多節(jié)約能量20%～30%。

　　2)相對于人工間抽和定時間抽來講，智能間抽控制由于達到了較低的平均液面，增加了產(chǎn)量。因為，較低的液面意味著較低的井底流壓，結(jié)果較多的液體流入井底，通常可增產(chǎn)1%～4%。

　　3)由于消除了液擊現(xiàn)象，可使井下和地面設(shè)備的維修費用減少25%～30%。另外，通過IPOC裝置可提前探測到油井故障，從而進一步減少了所需的修井作業(yè)量。

　　4)使用微電腦技術(shù)的IPOC裝置大大增加了抽油系統(tǒng)的性能信息檢測數(shù)據(jù)，為抽油機的遙控遙測及集中控制創(chuàng)造了條件。

　　3 軟起動及調(diào)壓節(jié)能型

　　由于抽油機的功率檔次有限，如30kN，60kN，80kN，100kN等，而每一口油井的參數(shù)都不一樣，在選配抽油機時，不可能做到量體裁衣，剛好和抽油機的功率檔次相匹配，一般留有一定的功率裕量;各型抽油機在配用電動機時，為了保證抽油機在各種工況下正常運行，也留有一定的功率余量;隨著油井由淺入深的抽取，油井的產(chǎn)液量越來越少，抽油機的負荷也相應(yīng)減小。由于上述原因，就造成了抽油機的實際負載率普遍偏低，大部分抽油機的負載率在20%～30%之間，最高也不會超過50%，形成大馬拉小車的現(xiàn)象。而當(dāng)電動機處于輕載運行時，其效率和功率因數(shù)都較低，此時若適當(dāng)調(diào)節(jié)電動機定子的端電壓，使之與電動機的負載率合理匹配，這樣就降低了電動機的勵磁電流，從而降低電動機的鐵耗和從電網(wǎng)吸收的無功功率，可以提高電動機的運行效率和功率因數(shù)，達到節(jié)能的目的。

　　3.1 電動機定子繞組△/Y轉(zhuǎn)換降壓節(jié)能

　　由于低壓電動機在正常工作時，定子三相繞組是△接法，這樣每相繞組承受380V的線電壓，電動機可產(chǎn)生額定的輸出機械功率。電動機的轉(zhuǎn)矩是與電壓的平方成正比的，當(dāng)電動機輕載(負載率<33%)時，可以將電動機的繞組由△接法改成Y接法，使每相繞組只承受220V的電壓，即為額定電壓的1/

　　，電動機的轉(zhuǎn)矩也就僅為額定轉(zhuǎn)矩的1/3。當(dāng)負載率>33%時，再將電動機繞組改為△接法運行，否則，會因電流過大而燒毀電動機。電動機在進行Y/△轉(zhuǎn)換時會產(chǎn)生沖擊電流。

　　Y/△接法轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)一般采用交流接觸器實現(xiàn)，也可以通過晶閘管開關(guān)實現(xiàn)，兩種方法在節(jié)能效果上并無差異，而轉(zhuǎn)換控制電路如何準確掌握轉(zhuǎn)換時的負載率則會對節(jié)能效果產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)負載率β<33%時，不能及時進行△→Y切換，則會影響節(jié)能效果，而當(dāng)負載率β>33%時，不能及時進行Y→△切換，則會使電流過大，銅耗增加，反而費電，同樣影響節(jié)能效果。為了不使轉(zhuǎn)換頻繁發(fā)生，一般在轉(zhuǎn)換點的負載率之間設(shè)置一定的回差，通常采用負載率β<30%時進行△→Y轉(zhuǎn)換，而當(dāng)β>35%，進行Y→△轉(zhuǎn)換。

　　3.2 晶閘管相控與調(diào)壓節(jié)電軟啟動

　　晶閘管軟啟動與調(diào)壓節(jié)電的控制框圖如圖5所示。由單片機控制串聯(lián)在電動機定子主電路中的晶閘管的觸發(fā)角α，即可以改變加在定子繞組上的端電壓值，從而起到調(diào)壓節(jié)電的目的。其優(yōu)點是可以動態(tài)跟蹤電動機的功率因數(shù)或輸入電功率，達到最佳節(jié)能效果;在負載突然增加時也可得到及時的響應(yīng)，以免電動機堵轉(zhuǎn);且可兼作電動機的軟啟動器，同時由于采用單片機控制，具有完善的保護功能。其缺點是造價較高，且由于對晶閘管進行相控，會產(chǎn)生大量的諧波，對電網(wǎng)、電機以及通信系統(tǒng)造成不良的影響，今后這類產(chǎn)品將因達不到電磁兼容的標準而被限制使用。

　　圖5 軟起動控制器框圖

　　表1 按最佳調(diào)壓系數(shù)進行調(diào)壓后節(jié)省的電量計算值

　　關(guān)于電動機降壓節(jié)電的有關(guān)計算和校驗，國標GB12497-1995《三相異步電動機經(jīng)濟運行》中有明確的要求。在采取調(diào)壓節(jié)電時，既要達到節(jié)電的目的，又要保證電動機軸上的出力，并有一定的過載系數(shù)，否則，當(dāng)負載波動時電動機將發(fā)生堵轉(zhuǎn)而燒毀。電動機輕載降壓時，首先是功率因數(shù)上升，節(jié)約了無功功率。這里必須著重指出：不是所有的降壓行為都能達到節(jié)能的目的，只有當(dāng)電壓的降低程度大于轉(zhuǎn)差率及功率因數(shù)的上升程度時，才能使降壓運行的電動機效率得到提高而節(jié)能。

　　經(jīng)過各種檢驗計算，電動機降壓后的最低電壓范圍大致為(0.56～0.27)UN。以上數(shù)據(jù)是以正弦波電壓計算的，若考慮到晶閘管調(diào)壓所產(chǎn)生的諧波，引起電動機的噪音，振動和附加發(fā)熱等因素，其節(jié)能效果還要降低。一臺Y1600—10/1730型電動機輕載降壓節(jié)能效果的計算數(shù)據(jù)見表1。Y1600—10/1730型電動機的原始數(shù)據(jù)為：額定功率PN=1600kW，額定電壓UN=6.0kV，額定電流IN=185A，額定轉(zhuǎn)速nN=595r/min，最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)(最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩)=2.22，起動電流倍數(shù)(堵轉(zhuǎn)電流/額定電流)=5.53，起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)(起動轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩)=0.824，額定效率ηN=94.49%，額定功率因數(shù)cosφ=0.879。電動機額定負載時的有功損耗ΣPN=93.3kW，電動機的空載損耗Po=29.6kW，空載電流Io=46.25A，電動機帶額定負載時的無功功率QN=918kvar，電動機的空載無功功率Qo=480.6kvar。

　　由表1可知，電動機降壓節(jié)能，主要節(jié)省的是無功功率，提高了功率因數(shù)，對供電網(wǎng)有利。而有功節(jié)電主要節(jié)省的是電動機自身損耗的一部分，且隨著負載率的上升而銳減：負載系數(shù)β=0.1時，有功節(jié)電率為15%;β=0.2時為5.3%;β=0.3時僅為2.1%。按照國標GB124971995的規(guī)定，綜合節(jié)電為ΔP+KqΔQ，其中Kq為無功經(jīng)濟當(dāng)量，其值規(guī)定為：電動機直連發(fā)電機母線時取0.02～0.04;經(jīng)二次變壓時取0.05～0.07;經(jīng)三次變壓時取0.08～0.1。一般抽油機電動機均經(jīng)三次以上變壓，可取為0.1，也即每節(jié)省10kvar的無功功率，可折合為1kW的有功功率計算。由于降壓節(jié)能時電動機的轉(zhuǎn)速基本上不變，軸上的負載也不變，則電動機的輸出軸功率是不會改變的，節(jié)省的只是電動機自身損耗的一部分，表1中第7欄綜合節(jié)電率應(yīng)為表中第4欄的數(shù)據(jù)除以當(dāng)時的負載功率與第5欄的損耗功率之和的結(jié)果，并非為節(jié)省的綜合有功功率與電動機額定功率之比。這是一個概念誤區(qū)，有些用戶在計算節(jié)電效益時，往往用電動機的額定功率乘以節(jié)電率再乘以運行時間來計算節(jié)省的電能(kW·h)數(shù)，這是錯誤的。

　　由表1可知，當(dāng)負載率為β=0.4時，其綜合節(jié)電率為2.22%，其節(jié)省的功率并非為PN×2.22%=35.52kW，而應(yīng)當(dāng)為β=0.4時的負載功率PN×0.4加上電動機當(dāng)U=UN時的功率損耗ΣPN=72.83kW，來乘以綜合節(jié)電率2.22%，即(1600×0.4+72.83)×2.22%=15.8kW。有些制造商常在這一問題上誤導(dǎo)或欺騙用戶，應(yīng)引起注意。

　　通過降壓對電動機實現(xiàn)軟起動的目的，一是減少起動時過大的沖擊電流，二是減小全壓起動時過大的機械沖擊。那么在抽油機上使用降壓軟起動裝置，其效果究竟如何呢?由于電動機的轉(zhuǎn)矩與施加電壓的平方成正比，施加電壓降低了，電動機的轉(zhuǎn)矩若達不到負載的起動轉(zhuǎn)矩時，電動機是轉(zhuǎn)不起來的。雖然電動機的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩一般小于額定轉(zhuǎn)矩，但是，當(dāng)電壓降到額定電壓的70%時，電動機轉(zhuǎn)矩只有額定轉(zhuǎn)矩的50%，對于起動轉(zhuǎn)矩超過50%額定轉(zhuǎn)矩的負載，是轉(zhuǎn)不起來的。只有當(dāng)電壓升高到電動機的轉(zhuǎn)矩足以克服負載的靜轉(zhuǎn)矩時，電動機才能啟動。所以，△/Y轉(zhuǎn)換起動只適合起動轉(zhuǎn)矩<1/3額定轉(zhuǎn)矩的負載，一般的軟起動也只適合起動轉(zhuǎn)矩<50%額定轉(zhuǎn)矩的負載，對于重載起動的負載就降低起動電流來說，軟起動器也是無能為力的。

　　對需重載起動的負載，使用軟起動并不能達到減小起動電流的目的，更不能達到節(jié)省起動能量的作用;但是，由于軟起動器的電壓是呈鈄坡上升的，雖然在達到起動轉(zhuǎn)矩前電動機并不旋轉(zhuǎn)，但隨著電動機軸上扭矩的不斷增大，被拖動的負載是慢慢被加力的，所以，用軟起動器起動需重載起動的負載時，可以達到減小機械沖擊的目的。對于抽油機來講，使用軟起動器，不一定能達到減小沖擊電流的目的，但可以達到減小起動時機械沖擊的目的，還是有一定作用的。

　　在某些宣傳降壓節(jié)能產(chǎn)品的文章中，提到在抽油機處于發(fā)電狀態(tài)時，可以通過調(diào)整晶閘管的觸發(fā)角α改善瞬時過電壓的問題，事實上也不盡然。當(dāng)異步電動機由于負載超速而變成異步發(fā)電機運行時，是會產(chǎn)生瞬間過電壓，使電動機端電壓高于供網(wǎng)電壓，但由于供電網(wǎng)可以看成是一個無窮大的電源系統(tǒng)，當(dāng)穩(wěn)態(tài)運行時，電機端電壓只是略高于供網(wǎng)電壓，以便能量反饋。這時調(diào)整晶閘管的觸發(fā)角α，只能調(diào)整電流，即異步發(fā)電機的負荷，對于抑制過電壓并無效果。

　　4 無功就地補償節(jié)能型

　　交流異步電動機的無功就地補償就是將補償電容器組直接與電動機并聯(lián)運行，電動機啟動和運行時所需的無功功率由電容器提供，有功功率則仍由電網(wǎng)提供，因而可以最大限度地減少拖動系統(tǒng)對無功功率的需求，使整個供電線路的容量及能量損耗、導(dǎo)線截面、有色金屬消耗量，以及開關(guān)設(shè)備和變壓器的容量都相應(yīng)減小，而供電質(zhì)量卻得以提高。

　　無功就地補償只對長期空載或輕載運行的電動機有用，對于重載運行的電動機，因為其本身功率因數(shù)較高，沒有補償?shù)谋匾?。由于抽油機大部分處于輕載運行的狀況，且由于其分散性，低壓輸電線路較長，本身功率因數(shù)又偏低，無功就地補償?shù)男Ч^好。對于抽油機這樣的負載，負載頻繁變化，沒有必要采用自動投切的電容器組補償，這樣會增加成本，降低可靠性，是得不償失之舉。只要根據(jù)電機容量及平均負載率，選配適當(dāng)容量的電容器進行固定補償就行了，既經(jīng)濟又實用。目前，由于市售的補償電容器質(zhì)量都不好，壽命都不長，因此，應(yīng)當(dāng)選用質(zhì)量較好的自愈式電容器，并有自放電電路的產(chǎn)品。