油田變頻電機的節能控制分析

金立川 韓濤 尹學超 李華晶

摘 要：在油田抽油機采油過程中其裝備的三相異步電機運行所需功率一般小于其裝機功率，這就會導致抽油機電機效率低下。在日常實際采油的過程中“大馬拉小車”的現象非常普遍，即這種情況就是大功率電機帶動小功率負荷的現象。特別是在油井產量下降時，會導致抽油機效率大幅的下降和能耗的増加。因此本文選擇抽油機中三相異步電機的節能控制為研究對象，分別在電機啟動時和輕載運行時進行節能控制，降低電機的能耗，達到抽油機節能的效果。

關鍵詞：抽油機;電機;節能;控制

抽油機作為油田開采過程中不可或缺的組成設備，其性能的研發和改進也得到了蓬勃發展，逐漸向自動化、智能化、高適應性、低耗電性和高效率性方向邁進。如果把抽油機電機的運行效率僅提高1%，則就可以在一年內節約大量的能耗，這表明節能潛力巨大。因此，本文選擇抽油機三相異步電機的節能控制為研究對象，以提高電機的功率因數、降低抽油機的能耗為研究目的，最終達到提高抽油機的系統效率的效果。

1.抽油機電機效率低的原因分析

游梁式抽油機目前是國內外各大油田的主要機械采油的設備。然而抽油機整體效率非常低，導致出現抽油機電機效率低下這種情況主要是因為：一是在抽油過程中，油井的油液表面將緩慢減少，抽油機過剩的能力就變的越發明顯;二是為了防止在啟動時出現意外，都按照啟動時的啟動功率來設計抽油機，但是往往在抽油機運行中所需要的功率要比啟動時低很多。三是在采油過程中留有一定的備用容量來防止在開采石油過程中出現意外，這樣使得抽油機的負載遠遠小于此時抽油機中裝備的電機的負載，簡單的說就是大功率電機運行在輕載的情況下，就出現了所謂的“大馬拉小車”的現象。

2.電機節能的調壓方法

當電機處于空載或者輕載的情況時：電機輸出功率較小，但是此時輸入電壓還是額定值，導致此時的電機效率和電機的功率因數都不高。如果在此時進行電機調壓節能控制則需要降低電機的電壓，可以使得定子中勵磁電流相應減小，電機的銅耗會進一步降低，鐵耗也有所降低，顯然電機的總損耗會顯著的降低，系統運行效率得到了大幅的提高。電機調壓節能主要是以效率最高或者損耗最低為目的，從而達到最優調壓控制。

2.1最優定子電流法

當異步電機處于某一負載時，必然存在著一個最優的定子電流，這時可以使異步電機達到最高的工作效率。所以當異步電機降壓運行在所謂的定子電流最優狀態時，這時電機的損耗是最小的。如果此時和電機全壓啟動運行時相比較，很大幅度的提高了異步電機的工作效率。該方法的工作原理是以電機定子電流為反饋量，在電機運行中自動尋找定子電流最優值點，使電機一直運行在最佳效率下。

2.2最小輸入有功功率法

異步電機以輸入端的有功功率值最小為控制目標，計算輸入的有功功率需要三個變量，分別是電機的電壓、電流及功率因數角，所以必須要采集這三個參數變量。降低電機端電壓來搜索最小輸入功率運行點，當異步電機的輸入功率最小時，異步電機的效率會處于近似最優的工作狀態，此時電機效率也是最高的。

2.3最小功率因數角法

當異步電機處于輕載或空載狀態時，這時適當地降低異步電機的端電壓，相應地電機的定子電流也會變小，減少的主要部分是定子電流中的無功分量。因此，異步電機的功率因數將相應地增加，即功率因數角將減小。異步電機將具有一個功率因數角最小的工作點，在這時候電機運行在最優的工作狀態下，從而實現異步電機節能控制的目的。

2.4恒功率因數法

通過對電機某相電壓與電流之間的相位關系進行分析，再調節電機的電壓可以實現電機的恒功率因數節能控制。在電機處于空載或輕載運行時，恒功率因數角控制首先通過比較電壓與電流之間的相位關系，再調整晶閘管的觸發角，這樣就可以使電機的電壓電流之間的相位差穩定在固定值，同樣功率因數也會維持在給定值附近。當電機空載時代表損耗部分的有功分量小于電機有負載時，兩者無功分量基本一樣。這樣電機帶負載后的功率因數大于電機空載時功率因數。如果在電機空載運行時使用了恒功率因數控制器，則有功分量電流基本為固定值，這依舊小于電機有負載時的有功分量電流，然而，由于電機端電壓降低，因此電機的無功分量電流比未采用恒功率因數控制器時的電流要小，這就意味著此時電機的功率因數將提高。因此，當電機在空載或輕載條件下運行時，恒功率因數控制器可以提高電機的功率因數，并相應地提高電機的工作效率。

3.電機節能技術研究

3.1軟啟動器技術

軟啟動器技術可以在電機啟動時降低啟動電流等其他參數值，達到節能效果的一種技術。軟啟動器種類有很多種，利用軟啟動器，有較好的降低啟動電流的效果。

3.2功率因數檢測技術

功率因數檢測的準確性直接影響著模糊控制器的效果，因此功率檢測技術環節非常重要，通過檢測某相電壓與電流的之間的相位差來得到功率因數的方法。此方法的電路不是很復雜，檢測的功率因數值也相對準確。

3.3模糊控制技術

三相異步電機通常是一個嚴重的非線性控制對象，很難建立電機節能數學模型。如果采用傳統的數學分析方法來進行控制，則所獲得的節能效果不是太讓人滿意。采用模糊控制技術來實現對電機的節能控制，這種控制技術不需要建立精確的數學模型，而是在模糊模型的基礎上，運用近似推理的手段方法實現對被控對象的控制。

3.4仿真模型的建立

利用仿真軟件，對三相異步電機節能控制系統進行仿真研究，包括軟啟動器模型、三相交流調壓模型、電機及其測量模塊、功率因數檢測模型、PID控制器模型和模糊控制器模型等。

4.節能發展趨勢分析

目前我國的抽油機上裝備的設備消耗電能太大，為了響應國家節能降耗的口號，未來抽油機的發展要朝著節能減排的方向前進，下面介紹抽油機未來發展的趨勢。

4.1智能閉環控制

在油田的抽油機和控制室中安裝監控設備，達到在控制室就可以實時監測抽油機工作情況的目的，當油田中油量發生較大變化或者氣候天氣等各種因素發生時，此時就可以根據實際情況改變抽油機的工作方式，從而達到實時監控及時做出改變的目的。

4.2智能化專家控制與診斷

智能化專家控制與診斷就是在安裝監控設備的油井中，當抽油機發生例如：電機的過流、過壓、斷相保護和油井故障自動停機保護等故障時，可以實現及時在線式解決問題的方式。解決問題迅速且準確，這樣大大提升了抽油機抽油的效率，也是未來發展的一個趨勢。

4.3負功率電能回饋

負功率大都產生在抽油機運行在下沖程過程中，由于在下沖程過程中在接近底層時抽油機做減速運動，此時將之前產生的負功率都在此階段損失掉了，也是一種浪費，如果將在下沖程過程中產生的負功率通過反饋環節回收到電網，則可以在很大程度上防止電能的浪費。但是，如果回收電能的反饋環節穩定性強的話，可以實現節能，不會影響抽油機及電網的穩定。相反，如果此環節效果不好或者運行不可靠的話，直接導致電網電能的污染，嚴重的話則會導致抽油機出現故障甚至停止工作。

4.5降低抽油機變頻智能控制裝置的成本

目前變頻器的價格較為昂貴，由于有時不是針對專門的抽油機所制作的，會導致在油田抽油機環境下工作時會發生不匹配的情況，影響整體的工作效率。因此，可以聯合專門的產品部門，再結合抽油機其特殊性批量生產，這樣既可以降低成本費用，也可以提高其可靠性。

參考文獻：

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