抽油機節能電控裝置綜述（2）

摘要：介紹了幾種類型的抽油機節能電控裝置，比較了它們的優缺點和節能效果，并探討了其發展趨勢。

關鍵詞：抽油機；節能；電控裝置

5??? 超高轉差率多速節能電動機拖動裝置

5.1??? 作為節能措施的應用

??? 抽油機由于其特殊的運行要求，所匹配的拖動裝置必須同時滿足三個最大的要求，即最大沖程，最大沖次，最大允許掛重。另外，還須具有足夠的堵轉轉矩，以克服抽油機啟動時嚴重的靜態不平衡。因此，往往抽油機在設計時確定的安裝容量裕度較大。如6型抽油機配Y200L-6/18.5kW，10型抽油機配Y250M-6/30kW等。20世紀80年代中分別引進國外超高轉差電動機（CJT）和超高轉差多極電動機（CDJT）技術，對抽油機拖動裝置進行了大量的科學實驗，測試和分析，證明抽油機匹配CDJT節能拖動裝置具有顯著的節能效果。

??? 其一，降低抽油機拖動裝置的安裝容量裕量就是一個節能體現。功率匹配變化見表2。

表2??? 功率匹配變化

??? 由表2可知，由于所匹配功率下降，其對應的額定電流相應下降。網絡及電機繞組的銅耗與電流平方成正，電流的下降自然帶來了損耗的降低而達到節能。

??? 其二，CJT裝置軟的機械特性造就了抽油機運行過程中電動機功率的有功分量和無功分量的變化，促使輸入功率的降低。

??? 分析圖6，普通電動機的T=f（s）機械曲線告訴我們，若負載超過T_max，則電動機不能正常運行，因此，轉速在n～n₀范圍變化較小。而CJT電動 機 的 機 械 轉 動 曲 線 告 訴 我 們 ，T_2st>T_st， 且 速 度 變 化 范 圍 大 ， 從 0～n₀均 能 運 轉 。

圖6??? T－_s曲線

1—普通電動機的T=f(s)曲線；

2—CJT電動機的T=f(s)曲線；

T_H—普通電動機的額定轉矩；

T_max—普通電動機的最大轉矩；

T_st—普通電動機的堵轉轉矩；

T_2st—CJT電動機的堵轉轉矩；

n_H—普通電動機額定轉矩對應的異步轉速；

n′—普通電動機最大轉矩對應的轉速

??? 電機機械特性的軟、硬就是指轉速隨轉矩變化的大小?！坝病保俣茸兓。弧败洝保俣茸兓?。

??? 普通電動機的機械特性較硬，在一定負載下，轉速n（或角速度ω）較大；CJT電動機機械特性較軟，在同一負載下，轉速n（或角速度ω）較低，即轉差率較大，具有降低扭矩峰值，減小抽油機懸點沖擊載荷的作用。因此，在某些工況具有節能效果。

??? 另外，通過對圖7所示效率，功率因數與輸出軸功率之間的函數關系分析可知：

圖7??? η=f(P)曲 線

1，2分 別 為 普 通 電 動 機 的η及cosψ；

3，4分 別 為CJT電 動 機 的η及cosψ；

○為 額 定 負 載 時 的η及cosψ；

?為 輕 載 時 的η及cosψ。

??? 1）普通電動機的η及cosψ曲線陡峭；

??? 2）CJT電動機的η及cosψ曲線平坦；

??? 3）普通電動機在額定輸出功率點，η及cosψ較高，運行最經濟；

??? 4）在輕負載時，普通電動機的η及cosψ較低，CJT電動機的η及cosψ較高。

??? 從前面的介紹可知，抽油機固有的設計及運行特點與現場實際運行工況相比，不可避免地出現了大馬拉小車的不合理匹配。抽油機維持在PH點的負載，在現場從未出現過，絕大部分負載在電動機額定功率（指輸出功率）20％～30％左右。對普通電動機而言，如此運行，其效率和功率因數特低。對CJT電動機來講，由于曲線平坦，η及cosψ在負載變化情況下，其值變化不大，從而相對來講其η及cosψ高于普通電動機，致使有功功率降低，功率因數提高。因此，就節能而言，抽油機匹配超高轉差電動機是合理的。當然，轉差率的高低，機械特性的軟硬是否越高越好、越軟越好？對于這一問題，我們認為新技術的成立與否是通過生產實踐驗證的。轉差率高低，機械特性軟硬均應適度，否則對其實用性、可靠性帶來不利影響。

??? 其三，軟的機械特性造就了抽油機懸點最大負荷降低，抽油泵上行速度緩慢，抽油桿的彈性變形減小，從而使抽油泵的填充系數增加，吸液量增大，每沖次來油量增加，使單位液耗電能降低。

??? 大量的資料證明，抽油機匹配超高轉差電動機，具有顯著節能效果，而CDJT變極多速電動機在抽油機應用上其節能效果則更上一層樓。它通過轉速的切換而直接導致功率的切換。如6型抽油機原匹配電動機18.5kW，更換為CDJT?5C型變極多速電動機，其功率轉換為8/12/16kW三個功率等級，其裝機容量分別降低13.5％，35.14％，56.76％，額定電流分別降低15.4％，28％，31.4％。通過功率切換其節能效果非常明顯地展現出來。

5.2??? 作為調參（調沖）措施的應用

??? 油田在采油過程中，從工藝或某些特定條件的需要出發，要調整沖次，過去和現在均采用較笨重的辦法，由專業人員到現場拆換皮帶輪的辦法來實現。整個過程需停機進行，執行該任務費事、費時，勞動強度大。采用CDJT變極變速拖動裝置，則可由采油工在幾秒鐘中內非常方便地按下按鈕就可實現調沖目的，且不影響生產。特別是有的油田需經常調沖的區域采用該型產品，倍感方便，深受現場生產組織者的歡迎。

5.3??? 降低設備維修費用

??? CJT抽油機節能拖動裝置所具有的軟機械性能，改善了抽油機驢頭懸點負荷的不均衡性，特別是啟動瞬間及啟動過程，降低了對抽油機結構件、傳動系統的沖擊，降低了設備的維修費用，延長了抽油機的使用壽命。

6??? 變頻調速節能

??? 當油井的地下滲透能力小于抽油機的泵排量時（絕大多數油井如此），為了提高抽吸效率，降低單位產量的能耗指標，最直接的辦法是實行間抽。但是大多數的油井是不允許間歇性工作的，因為如果長時間停機的話，輕則會影響產油量，重則會使油井無法再開啟。這是因為：

??? 1）含蠟量高或含鹽量高以及油的粘稠度高，且地處高寒地區的油井，如果間歇工作，會造成井口結蠟、結鹽或結油的后果，使油井無法再開啟；

??? 2）對于注水油井，如果停止抽取，勢必會影響產油量，這將是得不償失的事，對于這類油井，就要采用其它的節能方法。

??? 為了使抽油泵的排量與油井的滲透能力相適應，可以通過改變抽油機的電動機轉速來實現。抽油泵是一種柱塞泵，對電動機來講是一種恒轉矩性的負載，也即電動機的電功率與其轉速成正比。這里要提醒注意的一點是:有人一說到泵，就想當然地認為和風機、水泵一樣屬于平方轉矩型負載了，或者說“近似于泵類負載”，這都是錯誤的。要知只有葉片式的風機和水泵，在不計其靜扭矩時，有近似于平方轉矩的負載特性，也即：排量與轉速成正比，壓頭（或揚程）與轉速的平方成正比，而軸功率則與轉速的立方成正比。

??? 隨著現代電力電子技術的發展，低壓變頻器已是十分成熟的電氣產品，并且其價格也已經大幅度下降，目前進口變頻器的價格約為600～700元/kW。國產變頻器的價格在400～500元/kW，在抽油機上大量推廣變頻調速節能改造已經成為可能。抽油機改用變頻器拖動以后有以下幾個好處：

??? 1）可根據油井的實際供液能力，動態調整抽取速度，一方面達到節能目的，同時還可以增加原油產量；

??? 2）由于實現了真正的軟起動，對電動機、變速箱，抽油機都避免了過大的機械沖擊，大大延長了設備的使用壽命，減少了停產時間，提高了生產效率；

??? 3）大大提高了功率因數（可由原來的0.25～0.5提高到0.9以上），從而大大減少了供電電流，減輕了電網及變壓器的負擔，降低了線損，挖掘出大量的“擴容”潛力。

??? 但是，將變頻器用于抽油機拖動時，也有幾個問題需要解決，主要是沖擊電流問題和再生能量的處理問題，下面分別加以分析。

6.1??? 沖擊電流問題

??? 如圖2（見第3期P183）所示，游梁式抽油機是一種變形的四連桿機構，其整機結構特點像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對于支架來說，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動力就可以使抽油機連續不間斷地工作。也就是說抽油機的節能技術取決于平衡的好壞。在平衡率為100％時電動機提供的動力僅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，則需要電動機提供的動力越大。因為抽油載荷是每時每刻都在變化的，而平衡配重不可能和抽油載荷作完全一致的變化，才使得游梁式抽油機的節能技術變得十分復雜。因此，可以說游梁式抽油機的節能技術就是平衡技術。

??? 據筆者對某油田18口井的調查，只有1～2口井的配重平衡較好，絕大部分抽油機的配重嚴重不平衡，其中有10口井的配重偏小，另有6口井配重又偏大，從而造成過大的沖擊電流，沖擊電流與工作電流之比最大可超過5倍，甚至超過額定電流的3倍！不僅浪費掉大量的電能，而且嚴重威脅到設備的安全。同時，也給采用變頻器調速控制造成很大的困難，一般變頻器的容量是按電動機的額定功率來選配的，過大的沖擊電流會引起變頻器的過載保護，不能正常工作。

??? 通過對抽油機曲柄配重塊的調整，可以使沖擊電流降到電機額定電流之內，沖擊電流與正常工作電流之比在1.5倍以內。這樣，選用與電機額定功率同容量的變頻器，甚至略小于電機額定功率的變頻器（要視抽油機電動機的負載率而定）都可以長期穩定運行。

??? 由于抽油機的起動扭矩往往很大，慣性也很大，所以要將變頻器的加減速時間設置得足夠長，一般為30～50s，才不致在起動時引起過載保護。

6.2??? 再生能量的處理問題

??? 由于抽油機屬位能性負載，尤其當配重不平衡時，在抽油機工作的一個沖程中，會出現電動機處于再生制動工作狀態（發電狀態），電動機由于位能或慣性，其轉速會超過同步速，再生能量通過與變頻器逆變橋開關器件（IGBT）并聯的續流二極管的整流作用，反饋到直流母線。由于交—直—交變頻器的直流母線采用普通二級管整流橋供電，不能向電網回饋電能，所以反饋到直流母線的再生能量只能對濾波電容器充電而使直流母線電壓升高，稱作“泵升電壓”。直流母線電壓過高時將會對濾波電容器和功率開關器件構成威脅，為了保護電容器及功率開關器件的安全，所以，變頻器都設置了“OUD”保護——直流母線電壓高保護停機功能。

??? 1）一種辦法是增大變頻器直流母線上濾波電容器的容量，將再生能量儲存起來，等電動狀態時再釋放給電動機作功。這種方法對節能有利，但是電容器的儲能作用是有限的；譬如，某抽油機電動機的平均功率以10kW計算，回饋功率以25％計算為2.5kW，在一個沖程中發電狀態為2～3s的話，則回饋能量A_d=6000J。若采用15kW的變頻器，其直流母線濾波電容的容量為2200μF，正常工作時直流母線電壓小于600V（U_s），“OUD”保護電壓（U_sm）為800V，那么A_s=CU_sm²－CU_s²=×2200×10^－6×(640000－360000)=308J，比起6000J的回饋能量來說小得多了。即使再增加10000μF的濾波電容，也只能儲能1400J，因此，在大容量或者負載慣量大的系統中，不可能只靠濾波電容器來限制泵升電壓。

??? 2）第二種辦法是采用“放”的辦法，可以采用由分流電阻器R_p和開關管S₁₁組成的泵升電壓限制電路，如圖8所示。

圖 8??? 泵 升 電 壓 限 制 電 路

??? 也就是將回饋能量消耗在電阻上，這是一種耗能的方法，對節能不利。尤其是在大容量或者大慣量拖動系統中，能量的損失較大。

??? 3）對于地處北方寒冷地區的抽油機，為了在冬季增加原油的流動性和防止結蠟，而對井口回油管進行電加熱，如采用中頻加熱裝置。這時也可將變頻器與中頻電加熱裝置共用整流電路及直流母線，這樣可將電動機回饋到直流母線上的再生能量用于中頻加熱器，同時又防止了直流母線電壓的泵升。

??? 4）對于同一井場上有多口油井的場所，可以采用共用直流母線系統方案，即若干臺抽油機的變頻器可共用一臺整流器，將其直流母線聯結在一起，利用各變頻器的回饋能量不可能在同時發生的原理，將某一臺變頻器的回饋能量作為其他變頻器的動力。這樣即節約了能量，又防止了泵升電壓的產生。如圖9所示。

圖9??? 采用公用直流母線的多變頻器系統主電路

??? 5）對于更大功率的系統，為了回饋再生能量，提高效率，可以采用能量回饋裝置，將再生能量回饋電網，當然這樣一來，系統就更復雜，投資也就更高了。所謂的能量回饋裝置，其實就是一臺有源逆變器。按采用的功率開關器件的不同又可以分為晶閘管（SCR）有源逆變器及絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）逆變器兩種，它們又各有其特點和要求。

??? ——晶閘管有源逆變器

??? 如圖10所示，三相橋式可控變流電路用作有源逆變裝置，使電網吸收再生電功率。為了使有源逆變電路正常工作，并防止過電流，應滿足U_m>U_d，其中U_d為變頻器正常工作時的直流母線電壓，U_m為再生直流電壓，而U_m可通過超前角β（β=π－α）來進行調節。由于

??? U_m=－2.34U₂cosβ（或=－1.35U₂₁cosβ）（1）

圖10??? 采 用 晶 閘 管 有 源 逆 變 器 的 再 生 能 量 回 饋 系 統 電 路

??? 若有源逆變器交流側直接接到380V交流電源，且取最小超前角β=π/6，則U_mmax為440V左右，而變頻器直流母線電壓正常工作時在510V左右，則U_d>U_m。而我們要求的是，當再生能量較小時，有源逆變裝置不工作，讓能量儲存在濾波電容器中，當直流母線電壓達到某一設定值時（如U_d>670V），有源逆變裝置才開始工作，將多余的能量回饋電網。根據式（1）反算過去，逆變變壓器副邊的線電壓應大于540V，才能實現電壓匹配。

??? ——IGBT有源逆變器

??? 雖然其主電路結構與變頻器中的無源逆變器基本相同，但是其功能和控制方法是大不相同的。變頻器中的無源逆變器的負載是三相交流電動機，其輸出頻率、電壓、相位都可以由變頻器隨意控制；而有源逆變器的輸出接的是交流電網，其輸出頻率、相位和電壓取決于電網，所以，在IGBT有源逆變器的控制中增加了鑒頻、鑒相器和鎖相環控制。電壓則由PWM控制，比晶閘管有源逆變器容易實現。另外在輸出端接有交流電抗器，用來抑制過電流。

??? 6）采用可四象限運行的變頻器，如圖11所示其控制就更復雜，投資也更高了。

圖 11??? 可 四 象 限 運 行 變 頻 器 主 電 路

6.3??? 電磁兼容性問題

??? 這里主要講電磁干擾（EMI）問題，即變頻器對微電腦控制器，傳感（變送）器及通信設備的干擾問題。變頻器是一個很強的電磁騷擾源，變頻器中的開關器件，以及SPWM電壓波形，會對控制及通信系統造成很大的干擾。干擾的途徑，除了感應、輻射之外，還包括傳導干擾，即通過連接導線傳導的干擾。在控制系統中，變頻器只是一個執行機構，它的運行頻率（速度）指令由控制器通過對油井液量等信號的控制運算后給予，變頻器就通過控制信號線，給微電腦控制器造成了很大的干擾，以致使控制器無法正常工作。因為是傳導性干擾，采用屏蔽線是不解決問題的，要從信號線上的共模及差模干擾入手，采用如圖12所示的共模與差模濾波器，才能解決干擾問題。

圖 12??? 信 號 線 抗 干 擾 措 施

6.4??? 閉環控制的采樣

??? 抽油機利用變頻器調速，使之動態適應油井負荷的變化，達到節電的目的，必須要加外部傳感器，否則無法實現閉環智能控制，只能實現人工定值控制。所采用的傳感器的類型，與間抽控制器大體相同，但是在要求上是有差別的。

??? 1）流量檢測是最直觀、最準確的方法，如果能實現小流量檢測并解決防堵問題，應盡量采用流量傳感器。

??? 2）光桿載荷傳感器也能用來檢測井下液量的多少，與間抽控制不同的是，閉環調速控制只要求載荷的變化趨勢，不需要標定空抽設定值。光桿的平均載荷大，說明井下液量少，應減速運行，反之則可加速運行。

??? 3）電流控制不可取，因為這里除了配重的影響外，當電機調速時，電流也是隨著變化的，因此不能將電流信號用作控制依據。

6.5??? 可靠性和環境適應性問題

??? 由于抽油機都在環境惡劣的野外工作，并且很多油井是無人值守的，所以，對變頻器的可靠性和環境適應能力提出了很高的要求。一方面要選用可靠性指標高的變頻器品牌，同時也要給變頻器在野外惡劣環境下工作創造必要的條件。如設計防護等級高的雙層密閉隔墊（保溫）控制柜，柜內設計強迫風冷系統，可以將柜內的熱量排出，并在柜底設計有冷空氣入口，使之適合在夏季沙漠高溫環境中使用。如有條件，可建造控制柜小屋，使控制柜避免陽光直接照射及雨淋。

7??? 結語

??? 1）抽油機在油田的使用量大，而負載率普遍偏低，功率因數則更低，電能的無謂浪費嚴重，節能降耗潛力巨大。

??? 2）間抽控制器在低產油井上節能效果明顯，同時因為其投資少，體積小，便于安裝，因此推廣應用的經濟性很好。

??? 3）對于負載率在30％以下的油井，采用Y/△轉換控制的節能效果明顯，且控制簡單，投資省，具有推廣價值。

??? 4）晶閘管軟起動及調壓節能，節省的只是電動機自身損耗的一部分，節能效益與其投資不成比例，而其產生的大量諧波，對電網及電機均有影響，因此不宜推廣。

??? 5）高轉差率多極電機拖動系統，節能效果明顯，且能適應油井調參要求，軟的機械特性對延長抽油機壽命有利，是很受油田歡迎的電氣拖動裝置。

??? 6）變頻調速系統，使抽油機動態適應油井負荷變化，也可方便地進行調參。配以流量、載荷等傳感器，可實現最經濟的控制。同時其軟起動性能好，對延長抽油機壽命，減少維護費用有利。節能效果最好，能耗基本上與轉速成正比，只要降速，肯定節能。是抽油機節能電控裝置的發展方向。隨著電力電子技術的發展，其價格將進一步降低，而性能將進一步提高。

??? 7）抽油機節能電控裝置的發展方向是節能效果好，能與油井負荷相匹配，并有完善的保護功能；有數據采集和存儲功能，聯網和通信功能，以及遙控遙測功能；并能適應油田的環境要求，操作簡單，智能化程度高。（完）