國內(nèi)外油田抽油機(jī)各種節(jié)能方案的分析

張選正

(索肯和平(上海)電氣有限公司，上海 201908)

0 引言

石油開采是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。我國是采油大國，亦是耗油大國，故開源節(jié)流，節(jié)能降耗，低碳排放尤為重要。從原油到成品，耗電量較大，約占成本的40%。因此，油田是耗電大戶，是節(jié)電的重點(diǎn)。

抽油機(jī)是采油的主要設(shè)備，屬恒轉(zhuǎn)矩注塞泵。使用數(shù)量多，按油田面積大小，少則幾百臺(tái)，多則幾千臺(tái)，節(jié)電潛力大。抽油機(jī)的功率范圍一般為18.5～55 kW/臺(tái)。抽油機(jī)工作時(shí)間長，幾乎24 h 365天工作，只要機(jī)械設(shè)備正常，就處于連續(xù)工作制。

1 抽油機(jī)的負(fù)荷特點(diǎn)

(1)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。因有飛輪及平衡錘配重，所以起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，則選用的電機(jī)功率也較大。

(2)負(fù)荷率較低。起動(dòng)后實(shí)際工作時(shí)，一般負(fù)荷率約為60%，存在大馬拉小車的現(xiàn)象。

(3)泵填充系數(shù)變動(dòng)。受井深度(國內(nèi)多數(shù)是1 000～3 000 m)、原油稠度、上升速度、環(huán)境溫度(－20～50℃)，與含水分比例等因素有關(guān)。溢流是隨機(jī)變化值，不是固定不變的。為保持泵的高效率、多采油，其上升速度要及時(shí)調(diào)整到控制技術(shù)要求，采用智能型控制方式，使得所需功率與實(shí)際匹配。

(4)上升下降負(fù)荷性質(zhì)不同。油泵上升時(shí)處于電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)(即作正功)，下降時(shí)按速度快慢及平衡錘調(diào)整狀態(tài)不同以及活塞的間隙大小，有時(shí)可能出現(xiàn)發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)(即作負(fù)功)，這時(shí)反電勢E＞U(端電壓)，要產(chǎn)生泵升電壓，即電壓過高，造成濾波電容器過電壓、過電流、超溫升，以致?lián)舸砸乐购拖@個(gè)現(xiàn)象的產(chǎn)生。一般采用強(qiáng)烈能耗制動(dòng)(適當(dāng)減小制動(dòng)電阻值，或提高電容器耐壓，以及耐溫，由85℃提高到105℃，或增大配置電容器的容量，比正常增大20% ～30%)，這對使用普通U/f型變頻器尤為重要(指單象限工作方式)，亦可選用具有能量回饋四象限工作的矢量變頻器，將多余的能量回饋到電網(wǎng)，這樣既解決上述問題，又可實(shí)現(xiàn)節(jié)電(一般可節(jié)電10% ～20%)。這是一種較為合適的方法。

(5)穩(wěn)定可靠是首位。變頻器一般采用柜式，以適應(yīng)工作環(huán)境差的要求，處于半露天工作環(huán)境，冬夏溫差可達(dá)50～60℃，對使用器件質(zhì)量要求高，安全系數(shù)大，有一定冗余度，工頻變頻自動(dòng)切換，加強(qiáng)通風(fēng)散熱，制作工藝精良，測試要完全。

總之，抽油機(jī)上升或下降，恒速傳動(dòng)方式既浪費(fèi)電功率，又減少泵油量，經(jīng)濟(jì)效果差，有待改進(jìn)、改造，以變速智能控制是合適的方案。

2 常見各種節(jié)能方案的分析

(1)智能化的控制方案。

①大連市偉肯斯瑞特能源科技有限公司生產(chǎn)的WK-YT-CYJ型抽油機(jī)智能控制柜。功率22～55 kW，采用數(shù)字式控制器測量抽油機(jī)每個(gè)沖次的作功，按液面狀態(tài)相應(yīng)連續(xù)調(diào)整油泵下行速度，通過檢測泵的工作轉(zhuǎn)矩判斷供液狀況而相應(yīng)調(diào)整運(yùn)行速度，避免過高的沖擊力矩產(chǎn)生事故，使實(shí)際功率與需要相匹配，并能將配重塊和井桿的位能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，并自身釋放，達(dá)到均勻加、減速，因而無電流反饋電網(wǎng)，使電流大為減小，這樣泵效率提高，產(chǎn)油量提高，并有效節(jié)電≥30%。采用的液位傳感器是美國霍尼韋爾公司產(chǎn)品，基于反射原理工作，其反應(yīng)速度快、可靠性高、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，適用于較差的環(huán)境下工作。節(jié)態(tài)運(yùn)行與原態(tài)運(yùn)行的比較如圖1所示。

圖1 節(jié)態(tài)運(yùn)行與原態(tài)運(yùn)行的比較

②北京市祿智科技公司與清華大學(xué)共同研發(fā)的LOGINTEL抽油機(jī)節(jié)電器。通過智能化的控制手段令抽油機(jī)工作能力與油井負(fù)荷建立起優(yōu)化匹配，能動(dòng)態(tài)響應(yīng)負(fù)荷變化，以便克服泵的低效和電能浪費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)較大的節(jié)電幅度，并有平衡三相電壓，抑制諧波瞬時(shí)涌流對電網(wǎng)的影響，功率15～75 kW，選用單片機(jī)特制軟件技術(shù)，開發(fā)難度稍大。

(2)四象限能量回饋?zhàn)冾l器方案。

這是國內(nèi)、外使用較多的方案。上下速度人為選定可調(diào)，約有20%的節(jié)電效果。功率匹配與泵效提高，未能做到最優(yōu)化條件。要用四象限能量回饋?zhàn)冾l器，價(jià)位略高些，相當(dāng)于普通變頻器的2倍價(jià)位。

(3)西門子有功率控制的G120主控板變頻器的方案。

一般能量回饋時(shí)無功率限制這個(gè)環(huán)節(jié)，所以往往要產(chǎn)生過壓、過流，這對濾波電容器很不利。若能在正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)折時(shí)有自動(dòng)控制方式，使其功率為最小，這樣就可避免上述現(xiàn)象發(fā)生，亦不須用四象限變頻器進(jìn)行能量回饋，即從變頻器電路源頭來解決問題，這是較為合理的、可靠性強(qiáng)的方式。但國內(nèi)現(xiàn)在尚無產(chǎn)品。

(4)意大利意科公司速度跟蹤方案。

主導(dǎo)思路是上快下慢(如上40 Hz下30 Hz)、人為可調(diào)，加強(qiáng)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。采用速度跟蹤方法，即當(dāng)電壓U上升時(shí)使頻率上升，從而保持U/f=C不變，減少多余能量及過壓過流的產(chǎn)生。

(5)加拿大北方公司的電壓跟蹤方案。

當(dāng)稠油時(shí)沖次要低，以提高泵的效率，上下沖次任意可調(diào)，有功率因數(shù)補(bǔ)償，采用放電電阻來消耗多余能量，并有能量回饋裝置實(shí)現(xiàn)電壓自動(dòng)跟蹤，以達(dá)到最佳制動(dòng)力矩的控制，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要適當(dāng)加大。

(6)深川公司(與日本合資)的動(dòng)態(tài)調(diào)壓方案。

①對貧油井或老油井采用流量傳感器測流量，當(dāng)小于經(jīng)濟(jì)流量時(shí)實(shí)行停機(jī)或輕載時(shí)將電機(jī)繞組自動(dòng)進(jìn)行切換，以降低加于電機(jī)繞組上的相電壓來實(shí)施降壓節(jié)電的方式。

②當(dāng)上行程或下行程有負(fù)荷變化時(shí)，及時(shí)測出送至變頻器輸入來即時(shí)調(diào)電壓，使其工作能力與實(shí)際相匹配達(dá)到節(jié)能目的，這就是動(dòng)態(tài)調(diào)壓節(jié)能，節(jié)電約15% ～20%。

(7)采用永磁同步電機(jī)的方案。

當(dāng)今國內(nèi)絕大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械都用異步電機(jī)作為動(dòng)力源，采用變頻器調(diào)速。國外從2000年開始已采用永磁同步電機(jī)來替代異步電機(jī)。原因如下:① 起動(dòng)電流小;② 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大;③ 功率因數(shù)高;④ 滑差=0;⑤ 結(jié)構(gòu)簡單。從以上5點(diǎn)看，顯然優(yōu)于異步電機(jī)，故使用量逐步在擴(kuò)大，有替代的趨向，油田抽油機(jī)亦不例外。但目前永磁同步電機(jī)及調(diào)速控制器二者相加總價(jià)偏高，對這門新技術(shù)熟悉不夠，影響了使用的廣度。在油田曾做過試探，性能效果都很好，是件值得關(guān)注的事。為節(jié)省成本，試制時(shí)，永磁同步電機(jī)可由現(xiàn)有的異步電機(jī)改制［1］。

(8)采用多級功率繞組的異步電機(jī)。

一般電機(jī)是一級功率即額定功率，但是當(dāng)采用多極繞組后，可以通過繞組的不同接法來改變加在繞組上的相電壓，從而改變輸出功率的大小，例如有PN、0.75PN、0.5PN，其中PN為額定功率。這種電機(jī)已有河南新鄉(xiāng)市豫通電機(jī)廠能生產(chǎn)，再配上負(fù)荷自動(dòng)控制器可自動(dòng)進(jìn)行繞組的改接，來實(shí)現(xiàn)輸出功率的改變。

(9)輕載的△/Y自動(dòng)切換節(jié)電方案。

一般18.5 kW以上的異步電機(jī)，在380 V電壓時(shí)是△接法，可輸出額定功率，當(dāng)輕載時(shí)(如60%)，若用380 V全壓，顯然功率因數(shù)較低，成為大馬拉小車而浪費(fèi)電能，這時(shí)可將電機(jī)繞組改為Y接法，即相電壓下降為220 V，給節(jié)電帶來好處，需用功率與之相匹配，這是最簡便的方法。目前，市場上有按負(fù)載電流大小(可人為設(shè)定)的△/Y自動(dòng)切換節(jié)能節(jié)電器，亦可用在抽油機(jī)中，節(jié)電率雖小些，約10%，但因其結(jié)構(gòu)簡單，成本較低(僅約1 000元)，而且沒有復(fù)雜的電路，調(diào)試容易，維護(hù)量小，有些場合還是可用的。相對于一套智能化的變頻節(jié)電裝置，它可以買8～10套。這樣，合起來的總節(jié)電量肯定比一套的大，有可取之處。

(10)模糊控制節(jié)電方案。

抽油機(jī)是個(gè)多變量、實(shí)時(shí)、工藝參數(shù)隨機(jī)變化的設(shè)備，上述9種節(jié)電方案有簡單的，亦有復(fù)雜的，都各有優(yōu)點(diǎn)，亦有不足之處，比較理想的是智能化控制方案，對這樣的負(fù)載選用模糊控制是最為理想合適的，當(dāng)然有一定的技術(shù)難度。隨著生產(chǎn)的需要，技術(shù)的提高，抽油機(jī)節(jié)電設(shè)備將會(huì)出現(xiàn)更新的方案。目前，油田抽油機(jī)的節(jié)電裝置使用率不到1/3，故市場潛力很廣闊。模糊控制節(jié)電方案目前正處于研究開發(fā)之中。

3 結(jié)語

抽油機(jī)量大，既是耗電大戶，又是節(jié)電重點(diǎn)。十幾年來各種節(jié)電方案層出不窮，各有利弊。油田可按上述介紹的10種方案，按生產(chǎn)的需要，經(jīng)濟(jì)實(shí)力大小，工藝參數(shù)變化，技術(shù)力量狀況等進(jìn)行合理選取。

［1］張選正，史步海.特種電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)及應(yīng)用［M］.廣州:華南理工大學(xué)出版社，2010.