抽油機拖動裝置對比應用分析

濮新宏，雷　鈞，王海軍，于　博

中國石油長慶油田分公司技術監測中心（陜西西安710018）

抽油機拖動裝置對比應用分析

濮新宏，雷鈞，王海軍，于博

中國石油長慶油田分公司技術監測中心（陜西西安710018）

對伺服系統的工作原理及優勢進行了全面的剖析。通過現場測試，對數據進行計算分析，在同等情況下，配有伺服控制系統的三相異步電動機的起動電流遠遠小于傳統的三相異步電機，且調速范圍更寬，系統效率更高，并且可控性更好，可以通過控制，改變系統沖次，進而達到優化系統運行參數，實現節能降耗。

抽油機；伺服技術；系統效率；節能

目前，抽油井在用的電機主要是三相異步電機，因電機的功率和效率特性，應用過程中存在著無法自身客服的缺點。隨著油田管理要求的越來越精細、節能降耗形勢日益嚴峻，需要一種節能并有利于管理的電機以滿足油田高效開發的需求。在傳統的三相異步電機的基礎上配伺服電機控制系統便能夠很好的解決現有問題，并可以實現智能化控制［1］。

1　伺服系統工作原理及其優勢

伺服電機控制系統是一個典型的閉環控制系統，通過編碼器采集角度信息，按照控制命令的要求，對電機的功率進行放大、變換與調控等處理，使驅動裝置輸出的力矩、轉速非常靈活方便。三相異步電機作為執行元件，把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。其主要特點是：在控制信號來到之前，轉子靜止不動；信號來到之后，轉子立即轉動；當信號消失，轉子能即時自行停轉。相較于普通電動機，配伺服電機控制系統的電機主要存在以下優勢：

1.1軟啟動方式

三相異步電動機的起動方法主要有直接啟動、傳統減壓啟動和軟啟動三種啟動方法。直接啟動，也叫全壓啟動。起動時通過一些直接起動設備，將全部電源電壓（即全壓）直接加到異步電動機的定子繞組，使電動機在額定電壓下進行起動。直接起動最簡單，但是電動機繞組在點動力的作用下，會發生變形，可能引起短路進而燒毀電機，同時會引起過大的啟動電流，造成線路電壓降增大。減壓起動是在起動時先降低定子繞組上的電壓，待起動后，再把電壓恢復到額定值。減壓起動雖然可以減小起動電流，但是同時起動轉矩也會減小。因此，減壓起動方法一般只適用于輕載或空載情況。軟啟動主要采用軟啟動器，可以控制電動機的電壓，使其在起動過程中逐漸升高，很自然的就限制了起動電流，變速箱和電動機的扭矩和輸入功率變化趨于平緩，大大降低了機械沖擊負載對設備造成的損傷，延長了設備使用壽命［2-3］。

1.2節能效果顯著

伺服控制實現了電機磁通和轉矩的解耦控制，使傳動系統的動態特性有了顯著的改善，矢量控制大大改善了異步電機的動態控制性能，其基本控制原理是若以轉子磁通這一旋轉的空間矢量為參考坐標，利用從靜止坐標軸系到旋轉坐標軸系之間的變換，則可以把定子電流中的勵磁電流分量與轉矩電流分量分解成兩個垂直的直流變量，d軸分量控制轉子磁通；在控制轉子磁通恒定的前提下，電機轉矩與定子電流的q軸分量成正比。從而實現了轉子磁通和轉矩的解耦控制并分別進行控制。這樣，通過坐標變換重建的電動機模型就可等效為一臺直流電動機，從而可象直流電動機那樣進行快速的轉矩和磁通控制。通過控制d軸分量為零，則定子電流全部轉化為提供轉矩的q軸分量，實現了有用功率最大化、轉矩最大化，大大提高了系統的節能效果［4-5］。

1.3可控性好

1）可以通過合理控制運行參數，進一步改變整個系統的工作性能。

抽油機系統工作效率為：

同時抽油機系統效率也可表示為：

式中：N總出為輸出有效功，kw·h/d；N地為地層能量所做功，kw·h/d；N光為光桿功率，kw·h/d；N電為電網平均輸給電機的功率，kw·h/d；qc為油井產液量，m3/d；Pt、Pc為井口油壓和套壓，MPa；H效為有效舉液高度，m；γ為油管內混合液重度，kg；η為抽油機系統效率，%。

式中：h為停抽后沉沒度，m；q1為停抽后自噴產液量，m3/d；η井下為井下效率，%。

對于電動機而言，其扭矩、轉速和功率的關系為

式中：p為電動機的功率，kw·h/d；N為電動機的轉速，轉/min；T為扭矩，kN。

式中：n為沖次，次/min；hi+1-hi表示示功圖第i單元厚度，m；li+1-li表示示功圖第i單元長度m；m表示將示功圖劃分為m個單元。

對于一油井，在抽油機工作過程中其套壓、井口油壓、和油管內混合液重度是保持不變的，由式（3）可知，有效舉液高度也是不變的；由式（2）可知，系統效率η就只與qc、N電有關，且與油井產液量成正比，與電網平均給電動機的功率成反比，所以系統沖次增加時，也就意味著在相同的時間內產液量和光桿功率也隨著增加，那么系統效率就會增加；所以我們可以通過改變系統沖次達到改變系統效率的效果。

2）智能工作模式。在一個完整沖次過程中實現快抽（上沖程快）慢下（下沖程慢）工作制度，該工作模式有助于液體充分進入泵筒內并且在上沖程過程中減少漏失量，可以提高泵效的同時進一步節能。

由于伺服控制系統是一種智能控制系統，可以通過程序很方便的實現人機的交流。除了上述模式外還可以實現的在一個沖程內某時段按照設定加速度或減速度運行、恒功率或恒扭矩工作模式、變功率或變扭矩運行模式等，要實現這些模式只需要安裝角位移傳感器即可。

2　現場測試結果及實驗數據分析

表1為不同電機在不同平衡狀態下的啟動數據，顯然，使用了軟啟動的三相異步電動機的起動電流要遠遠小于正常啟動電機的電流，同時也能夠保證啟動扭矩在一定的可接受范圍內，使電動機既能夠快速進入正常工作階段，又能夠減少電動機的發熱、磨損功耗以及啟動時刻的供電電壓降。

表2為不同平衡狀態下抽油井單耗數據，在平衡狀態時，使用伺服控制系統的電機單耗比使用普通電機單耗降低了37.6%；而在過平衡狀態和欠平衡狀態分別降低了41%和16%。

表3數據表明使用了伺服系統控制電機之后，整個抽油井系統工作效率有了顯著的提升，平衡狀態系，效率增長7.41%；過平衡狀態下，效率增長了6.83%，欠平衡狀態下，效率增長了3.45%。

表1　不同電動機拖動不同平衡狀態運行時電動機啟動數據

表2　不同電動機拖動不同平衡狀態運行時單耗數據

表3　不同電動機拖動不同平衡狀態運行時系統效率數據

表4為平衡狀態下不同沖次下系統運行參數，實驗數據表明隨著沖次的增加，光桿功率、有功功率和系統的效率都在增加。

表4　平衡狀態下不同沖次下系統運行參數表

3　結論

實驗結果表明，在同等情況下，配有伺服控制系統的三相異步電動機的起動電流遠遠小于傳統的三相異步電機，且調速范圍更寬，系統效率更高，并且可控性更好，可以通過控制，改變系統沖次，進而達到優化系統運行參數，實現節能降耗。

同時伺服控制系統是一款智能系統，因此可以很好的實現人機交流，更便于對電機系統進行控制，在油田抽油機系統中具有很好的應用前景。

［1］劉喜文.伺服技術應用于油田地面系統［J］.油氣田地面工程，2011，30（11）：71-72.

［2］李東紅.伺服電機在油田抽油井上的應用［J］.油氣田地面工程，2011，30（8）：82-83.

［3］王健.現代交流伺服系統技術和市場發展綜述［J］.世界儀表與自動化，2008，12（9）：22-24.

［4］趙民.永磁同步電機控制系統的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2005.

［5］郭慶鼎，王成元.交流伺服系統［M］.北京：機械工業出版社，1994.

The working principle and advantages of the servo system of oil pumping unit are comprehensively analyzed.The analysis of the field test data shows that，under the same conditions，the starting current of the three-phase asynchronous motor with the servo con?trol system is much smaller than that of the traditional three-phase asynchronous motor，its speed range is wider，the system is more effi?cient，and the controllability is better.It can change the jig frequency of the system and then optimize the operating parameters of the system to achieve the purpose of saving energy and reducing consumption.

oil pumping unit；servo technology；system efficiency；oilfield energy saving

濮新宏（1965-），男，工程師，現主要從事節能監測工作。

本文編輯：路萍2016-06-25