抽油機節(jié)能裝置研究

武偉偉 王斌斌（河南費曼電力技術(shù)有限公司）

引言

游梁式抽油機是目前油田生產(chǎn)中的主要設(shè)備，載荷過低現(xiàn)象比較嚴(yán)重，功率因數(shù)低，電能的浪費也很嚴(yán)重[1]。節(jié)能、增效、增產(chǎn)、降耗，提高油田電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和降低電網(wǎng)線路上的損耗顯得更為重要。

目前，國內(nèi)外對抽油機的節(jié)能和控制的研究集中于改變控制電動機的運行方式和研制新型節(jié)能型抽油機兩個方面[2]。但變頻調(diào)速技術(shù)并沒有在抽油機節(jié)能方面取得很好的實際應(yīng)用，根本原因是目前應(yīng)用在抽油機方面的變頻節(jié)能裝置為通用的變頻器，采用通用變頻模塊組裝而成的變頻控制柜，整流環(huán)節(jié)采用不可控二極管整流電路，電能只能單向流動，抽油機處于發(fā)電狀態(tài)時產(chǎn)生的回饋電能不能流向電網(wǎng)，致使回饋時在直流母線電容上產(chǎn)生很高泵生電壓，極易燒壞變頻設(shè)備[3]。另外，二極管整流時輸入電流諧波大，諧波流向電網(wǎng)造成諧波污染，影響線路設(shè)備的利用率。

為此，設(shè)計了一種油田抽油機專用節(jié)能控制裝置，實現(xiàn)電動機四象限運行、單位功率因數(shù)運行且可調(diào)、能量高效回饋，變頻輸出電壓穩(wěn)定，提高了裝置運行的穩(wěn)定性和可靠性。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

如圖1所示，其主回路由三相可控整流組成的網(wǎng)側(cè)變換器和三相逆變器組成的機側(cè)變換器兩部分構(gòu)成。網(wǎng)側(cè)變換器主要組件包括電抗器、高頻濾波電容、全控整流電路和直流電容。抽油機節(jié)能裝置控制系統(tǒng)的控制芯片采用TMS320F28335芯片，采樣芯片采用16位高精度AD7656芯片，電壓互感器、電流互感器的二次信號經(jīng)過采樣調(diào)理電路處理后送至DSPTMS320F28335快速計算，輸出脈沖控制信號至IGBT驅(qū)動端進行實時控制。

2 MATLAB仿真分析

為驗證本設(shè)計的可行性并為裝置研制過程進行理論指導(dǎo)，進行了MATLAB電子仿真。網(wǎng)側(cè)變換器采取SVPWM調(diào)制方式，采用瞬時無功算法及解耦控制策略，將無功分量目標(biāo)值設(shè)定為0；機側(cè)變換器采用恒壓頻比開環(huán)控制策略。裝置仿真結(jié)構(gòu)見圖2。負載模型為三相異步電動機，參數(shù)設(shè)置：額定電壓為0.38kV，極對數(shù)為2，額定頻率為50Hz，額定功率為18.5kW。

裝置輸入側(cè)電壓和電流波形見圖3。圖3中粉色虛線波形為電網(wǎng)相電壓波形，綠色實線為裝置運行時從電網(wǎng)吸收的相電流波形。由圖3可知，電網(wǎng)電壓相位和裝置運行電流相位基本重合，相位角度差很小，可忽略，即功率因數(shù)接近于單位功率因數(shù)。

圖1 抽油機節(jié)能裝置原理

圖2 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)

圖3 網(wǎng)側(cè)交流電壓和電流波形

電動機負載狀態(tài)突增、突減及切除的瞬間裝置直流電壓和裝置輸出電流的仿真波形見圖4，其中變量采用標(biāo)幺值。圖4中黑色波形為直流電壓波形，粉色波形為輸出電流波形。圖4（a）為負荷突增波形，突增負荷瞬間直流波形僅有很小的波動，且很快恢復(fù)正常；圖4（b）為負荷突降時直流電壓和交流電流波形，負荷突降瞬間直流電壓穩(wěn)定無波動；圖4（c）為負荷突然切除波形，切除瞬間及切除后直流電壓波形穩(wěn)定。由圖4可知，在負荷突然變化時瞬間直流電壓基本保持不變，充分說明本控制方案能提供穩(wěn)定的直流電壓，為機側(cè)變換器的高效率運行提供基礎(chǔ)。

3 試驗研究

在設(shè)計理論指導(dǎo)下，制作了設(shè)備樣機，并在樣機基礎(chǔ)上編制了實時控制軟件，進行現(xiàn)場運行試驗。

設(shè)備拖動抽油機帶載運行時上沖程階段波形，電網(wǎng)交流線電壓和裝置相電流及裝置內(nèi)部直流電壓的波形如圖5所示；抽油機處于下沖程階段即發(fā)電狀態(tài)時，電網(wǎng)線電壓和裝置相電流及裝置內(nèi)部直流電壓的波形如圖6所示。圖5波形顯示了相電流相位滯后電網(wǎng)交流線電壓相位1.8ms左右，即30°左右；因線電壓相位超前相電壓30°，因此相電壓和相電流相位基本相同，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)下運行，降低甚至消除無功功率對電網(wǎng)線路和設(shè)備產(chǎn)生的影響。

圖4 負載突變電壓電流波形

圖5 穩(wěn)定運行時網(wǎng)側(cè)電壓和電流波形

由圖6可知，在回饋時電流相位超前線電壓150°，電流相位和相電壓相位反相，電能以單位功率因數(shù)高效回饋，實現(xiàn)了四象限和單位功率因數(shù)下運行，在整個運行過程中和電網(wǎng)系統(tǒng)基本不產(chǎn)生無功交換。

裝置負載突然切除時交流輸入電流波形和裝置內(nèi)直流電壓波形見圖7。由圖7可知，負載切除瞬間直流電壓保持穩(wěn)定，輸出功率能夠迅速跟蹤負載變化。

圖6 回饋狀態(tài)波形

圖7 突然切除負載變化波形

4 節(jié)能效果分析

在32號井和43號井上安裝了抽油機節(jié)能裝置，并進行了現(xiàn)場測試（表1）。應(yīng)用此裝置前三相線電壓平均值為351V。

由表1可知，抽油機直接連接電網(wǎng)運行時，2口井功率因數(shù)都非常低，32號井功率因數(shù)只有0.462左右，43號井功率因數(shù)0.414左右。因功率因數(shù)很低，運行時產(chǎn)生大量無功功率，無功功率在電網(wǎng)線路上產(chǎn)生較高的電壓降，末端電壓在342V左右，較電網(wǎng)電壓下降10V，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量。當(dāng)抽油機通過節(jié)能裝置運行時，功率因數(shù)超過0.98，電網(wǎng)電壓無下降，從而有利于提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量。電網(wǎng)側(cè)的交流電流有效值也大幅度降低，其中32號井的電流由35.7A下降為11.57A，43號井從26.5A下降為8.1A，功率因數(shù)大幅度提高。

表1 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)

根據(jù)GB/T12497—2006《三相異步電動機經(jīng)濟運行》規(guī)定，無功功率下降的效益用無功當(dāng)量表示，取0.03kW/kvar。32號井時節(jié)電量為4.228kWh，43號井時節(jié)電量為2.45kWh。按照每天工作24h，年工作330d計算，32號井年節(jié)電量為3.35×104kWh，43號井年節(jié)電量為1.94×104kWh。

5 結(jié)論

通過理論分析仿真及現(xiàn)場試驗，驗證了本設(shè)計的可行性。應(yīng)用抽油機節(jié)能裝置有效地提高了功率因數(shù)，降低了能量消耗，穩(wěn)定了末端電壓，提高了線路的輸電能力和變壓器的運行效率，并且在負荷突然變化時裝置能夠快速反應(yīng)，保持運行穩(wěn)定。現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)證實該裝置能夠有效提高系統(tǒng)運行效率，節(jié)能效果顯著，適合在油田推廣使用。

[1]金峰.抽油機節(jié)能研究[J].油氣田地面工程，1998，17（5）：1-4.

[2]張繼展，馬廣杰，孫景麗，等.游梁抽油機的用電發(fā)電與節(jié)電[J].石油礦場機械，2001，30（4）：36-38.

[3]李敏，崔愛玉，寧剛，等.抽油機節(jié)能技術(shù)的探討[J].油氣地面工程，2002，21（4）：116-117.

[4]冷海濱.雙PWM矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2006.

[5]陳小麗.高功率因數(shù)雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2005.