游梁式抽油機電機系統(tǒng)節(jié)能技術綜述*

王義龍, 田春雨, 張連成, 董偉杰, 劉 磊, 趙海森

(1. 北京信息科技大學 機電工程學院，北京 100192；2. 大慶石油管理局有限公司 技術監(jiān)督中心，黑龍江 大慶 163453；3. 北華航天工業(yè)學院 電子與控制工程學院，河北 廊坊 065000；4. 華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206)

0 引 言

油田對電能需求量較大，其中機采系統(tǒng)消耗電能約占采用成本的1/3。抽油機在運行過程中，由于受負載工況與系統(tǒng)結構等因素的影響，運行功率在一個周期內包含重載、輕載、發(fā)電等多種工況，也使得能量處于電能、動能、機械能之間多向轉換的復雜運行狀態(tài)。形成上述狀況的主要原因是抽油機上行需要輸出很大驅動力矩，用以提升抽油桿，而下行過程中依靠抽油桿自身重力即可克服系統(tǒng)摩擦等阻力矩，此時電機逐漸進入空載或發(fā)電狀態(tài)[1]。上述復雜運行狀態(tài)及多級機械結構，使得系統(tǒng)效率顯著降低，而構成抽油機系統(tǒng)的電源側、驅動環(huán)節(jié)、負荷側3個部分是決定系統(tǒng)效率的主要環(huán)節(jié)。

對此類負荷，相關學者進行了大量的節(jié)能方法研究。針對電源側，采用電網優(yōu)化重構、高效變壓器、電容補償以及新能源供電等節(jié)能方法[2]。針對負荷側，通過調整運行周期等方式實現節(jié)能，例如：變頻調速、多速電機、磁阻電機、間抽等[1，3]。驅動環(huán)節(jié)主要包括電機和機械部分，此環(huán)節(jié)的節(jié)能方法是學者較為主要的研究部分，相應的節(jié)能技術所涵蓋范圍較為廣泛，節(jié)能技術也較為成熟。針對該環(huán)節(jié)的節(jié)能技術，主要特點是在不改變抽油機運行周期，即保持系統(tǒng)沖程、沖次等參數基本不變的前提下，通過提高電機及機械環(huán)節(jié)運行效率達到節(jié)能目的。由于不改變運行參數，因此可有效保證采油量。其中應用最為廣泛的節(jié)能技術包括調壓節(jié)能、節(jié)能電機、斷續(xù)供電、平衡調節(jié)等[1，3]。

本文對游梁式抽油機電機(BPM)系統(tǒng)能耗特點和節(jié)能技術原理進行分析。在此基礎上，針對驅動環(huán)節(jié)應用比較廣泛的調壓、節(jié)能電機、斷續(xù)供電節(jié)能技術特點與現狀進行了系統(tǒng)研究。最后在對比不同節(jié)能技術優(yōu)點以及局限性的基礎上，針對應用范圍更廣的節(jié)能技術研究方向，提出了系統(tǒng)能效精細化分析、多種節(jié)能技術融合、區(qū)域性節(jié)能綜合改造等建議。

1 抽油機系統(tǒng)能耗特點及節(jié)能技術分類

1.1 抽油機系統(tǒng)工況特性

圖1是實測抽油機功率曲線。其平均功率為8.4 kW，而功率的變化范圍達到了26.9 kW。原因是抽油機在采油過程中，上行時需要輸出很大的驅動力矩，用以提升抽油桿。在下行過程中，依靠抽油桿自身重力，只要很小甚至不需要驅動力矩即可克服系統(tǒng)摩擦等阻力矩，此時電機逐漸進入空載或發(fā)電狀態(tài)。上下行時負荷差異較大，同時結構限制平衡裝置無法實現與負荷的有效中和，由此導致抽油機系統(tǒng)的負荷變化范圍較大。

圖1 現場實測一臺22 kW BPM負荷曲線

1.2 抽油機系統(tǒng)能耗特點

抽油機系統(tǒng)構成可分為如圖2所示3個部分，即變壓器及供電線路組成的電源側,電機及井架機械機構組成的驅動環(huán)節(jié),以及抽油桿、液體與泵組成的負荷側。

圖2 抽油機系統(tǒng)構成示意圖

由上述分析及圖2可知，為了滿足穩(wěn)定運行需求，變壓器、線路以及抽油機電機的裝機容量不低于系統(tǒng)運行最大工況，因此產生“大馬拉小車”現象，降低了系統(tǒng)效率。驅動環(huán)節(jié)的減速箱及四連桿機構能夠保障抽油機系統(tǒng)運行穩(wěn)定，但皮帶及不同機械環(huán)節(jié)均會產生摩擦損耗，進一步降低了系統(tǒng)效率。抽油桿及井下設備同樣會產生摩擦損耗，同時受產液量及動液面等因素影響，使得提升單位液體的效率較低。

上述3個主要環(huán)節(jié)產生損耗的共同作用，最終導致系統(tǒng)整體效率較低。

1.3 節(jié)能技術分類

根據系統(tǒng)各環(huán)節(jié)特點，相應的節(jié)能技術也有很大差別。針對電源側，可采用電網優(yōu)化重構、高效變壓器、電容補償以及新能源供電等。針對負荷需求側，通常可根據井下參數對抽油機運行周期等參數進行調整的方式實現節(jié)能，而上述參數的調整通常是通過電機或控制器實現，例如變頻調速、多速電機、磁阻電機、間抽等。

驅動環(huán)節(jié)主要包括電機和機械部分，這個環(huán)節(jié)的節(jié)能方法是相關學者研究的最主要部分，相應的節(jié)能技術所涵蓋的范圍最為廣泛，技術也較成熟。針對此環(huán)節(jié)的節(jié)能技術通常是在不改變抽油機運行參數的前提下，通過提高電機及機械環(huán)節(jié)運行效率達到節(jié)能目的。應用較為廣泛的節(jié)能技術包括調壓節(jié)能、節(jié)能電機、斷續(xù)供電等。本文主要針對此環(huán)節(jié)節(jié)能技術進行詳細論述。

2 調壓節(jié)能技術

調壓節(jié)能是在基本不改變抽油機運行參數的條件下，通過調節(jié)電機的輸入電壓實現損耗的降低，進而提高系統(tǒng)效率。按照不同的節(jié)能方法與實現方式，可分為控制調壓、繞組結構調壓、多技術融合調壓等方面。

2.1 控制調壓

控制調壓節(jié)能是以電機模型、運行參數，以及工況特點為基本依據，利用機械或電子開關等設備，改變供電電源電壓幅值，實現能耗的降低，達到節(jié)能的目的。控制調壓在實現方法上可分為模型控制法和運行參數控制法。

2.1.1 模型控制法

在建立電機模型的基礎上，以電機損耗最小為目標函數，根據限定條件得到電機最小損耗與電壓對應關系，實現電機損耗最優(yōu)控制。文獻[3]針對周期性變工況負荷電機，以總損耗最小為目標，提出了新的不變損耗與可變損耗劃分方法，推導出電機最小總損耗與電壓對應曲線關系，通過可測量實現多種工況條件下電壓的最優(yōu)控制。文獻[4] 針對交流感應電機在恒轉矩和變負載條件下的最佳電壓調節(jié)方法，分析了定子銅、鐵損耗與定子電壓關系，負載轉矩變化對轉子銅耗影響，揭示電機的總損耗和最佳電壓關系。文獻[5]在對電機運行效率與負載工況之間關系詳細分析的基礎上,推導了最佳調壓系數與負載及電機參數間的數值關系，以此為依據提出了調壓節(jié)能策略。文獻[6]建立了可計及鐵耗的電機系統(tǒng)能耗實用模型，分析得出油田常見典型負荷條件下電機各項損耗的分布情況，揭示了損耗的變化規(guī)律，并通過電壓自動跟蹤方式對所提出的理論進行了驗證。

有些學者提出了以其他運行參數為目標函數的控制方法，其中文獻[7]針對抽油機電機輕載與重載交替運行工況，建立了功率因數與調壓導通角以及滯留角之間的約束模型，在此基礎上提出了自滑動調壓控制方法。

2.1.2 運行參數控制法

運行參數控制法是指根據電機輸入電壓、電流數值，以直接或者通過相關計算得到的參數為依據，進行調壓控制的方法。通常依據的參數包括定子電流、有功功率、功率因數等。

(1) 最小定子電流法。電機驅動不同工況負載時，均可實現最高效率的運行，此時定子電流可認為是最優(yōu)電流。在最優(yōu)定子電流運行狀態(tài)下電機的損耗最小，而輸入電壓與電流一一對應，因此通過調壓即可實現。但是電機在實際運行過程中，需要準確知道電機參數，才可計算出最高運行效率所對應的最優(yōu)電流值，工程應用性受到限制。針對上述問題，很多學者采用最小電流法來實現電機節(jié)能目標，包括最小電流跟蹤技術、自動尋優(yōu)控制等[8-9]。該方法可使電機運行在最高效率附近，節(jié)能效果雖然與最優(yōu)電流比效率有所降低，但其控制簡單工程應用型較強。

(2) 輸入功率法。當抽油機負荷需求不變時，在不改變抽油機運行周期等參數的前提下，系統(tǒng)機械效率基本不變，電機的輸出功率保持不變。此時通過以電機輸入端的有功功率最小為目標函數，即可間接實現電機損耗優(yōu)化控制，達到節(jié)能的目的。當采用電機最小輸入功率為目標的控制方法時，異步電機的損耗會處于近似最小的工作狀態(tài)，相應的效率也處在最優(yōu)的運行工況下，此時節(jié)能效果最為明顯[10]。

(3) 功率因數優(yōu)化法。當電機運行效率較低時，通過調節(jié)電壓幅值或者利用晶閘管控制電壓的觸發(fā)角，實現對電流中的無功分量占比、相位的控制，進而可改善電機的功率因數，提高運行效率。文獻[11]在抽油機系統(tǒng)調壓節(jié)能機理的基礎上，提出通過續(xù)流角來改善電機的運行效率的方法，進而減少電機的有功功率和無功功率。文獻[12]中對調壓節(jié)能方法以及軟起動原理進行了詳細分析基礎上，進一步結合多種節(jié)能方法技術特點分析后，提出了交流異步電機基于恒功率因數的節(jié)能控制策略。

2.2 繞組結構調壓

繞組結構調壓是指，通過設計或者調整電機繞組不同結構形式，改變電源作用到每相繞組上的等效電壓值，進而實現對電機的調壓控制，達到節(jié)能目的。油田系統(tǒng)中常用的結構調壓方法包括星角轉換、延邊三角形等。

2.2.1 星角轉換

星角轉換的實現方式是在電機輸入電源不變的條件下，通過改變電機繞組的星接與角接的連接方式，實現對電機繞組供電電壓的調整。由圖3接線原理可知，當電機角接時，每相繞組施加的電壓為線電壓，即繞組電壓為380 V；當電機星接時，每相繞組施加的電壓為相電壓，即繞組電壓為220 V。轉換的基本原則是，當驅動功率小于其額定功率1/3時，電機就可以進入星接狀態(tài)，此時繞組上的感應電動勢降低，可以較大程度地降低鐵耗、實現節(jié)能[13]。

圖3 星角轉換接線原理圖

2.2.2 延邊三角形電機

延邊三角形電機定子繞組的一部分接成角接，另一部分直接與電源連接。這種電機通常可看作是由6部分線圈組成，或者理解成在3組線圈增加抽頭形式，接線方式如圖4所示。從接線圖中可以看出，繞組通常可引出9個接線端子，通過對不同接線端子的組合可實現角接、星接延邊三角形接法，星接時繞組上等效電壓最低、角接最高，延邊三角形接線處于兩者之間。當BPM處于不同運行工況時，采用不同的接線方式，達到節(jié)能目的。

相關學者對此也做了很多研究。文獻[14]研究了延邊三角形電機定子相繞組中抽頭接線基本形式，在此基礎上計算延邊三角形起動的相電壓大小與中間抽頭位置的關系。文獻[15] 針對延邊三角形異步電機，分析了降壓起動過程中電壓、電流與轉矩的比例關系，在此基礎上對定子繞組中間抽頭位置的選擇以及降低傾邊磁場提出了相應的計算方法。

圖4 延邊三角形接線原理圖

2.3 多技術融合調壓

控制與結構調壓節(jié)能方法，雖然實現方式有所不同，但本質是對電機輸入或繞組的等效電源進行調整實現節(jié)能，節(jié)能方法均屬于單一調壓節(jié)能這一范疇。隨著負荷工況日趨復雜、節(jié)能空間逐漸降低，單一節(jié)能方法所取得的節(jié)能效果也逐漸降低，為了能夠保證或提高節(jié)能效果，很多學者把多種節(jié)能技術與調壓相結合，達到提升節(jié)能效果的目的。

文獻[16] 針對抽油機電機系統(tǒng)調壓及平衡調節(jié)節(jié)能方法，系統(tǒng)分析了固定調壓限制因素以及常規(guī)平衡調節(jié)對BPM系統(tǒng)能效影響的變換規(guī)律與節(jié)能效果，提出了一種平衡實時動態(tài)調節(jié)與調壓相結合的綜合節(jié)能方法。先通過平衡可調裝置動態(tài)調節(jié)，降低系統(tǒng)峰值功率，在此基礎上，以滿足系統(tǒng)最大負載需求為限制條件，以最小能耗為目標函數，通過多級調壓節(jié)能最終實現系統(tǒng)運行效率的提升，節(jié)電效果可達到15%以上。

文獻[17] 針對變頻供電條件，提出了變頻-調壓分段協(xié)調運行的綜合節(jié)能方法。該方法在不同運行區(qū)間，根據工況特點給出最優(yōu)的供電模式，主要包括采用變頻控制懸點加速度，降低載荷中的慣性力矩，并在實時監(jiān)測電機負荷工況狀況的基礎上，采取跟蹤調壓提高電機運行效率。

2.4 調壓節(jié)能效果綜合分析

上述調壓方法中，控制調壓可適用于不同工況條件，適應性及應用范圍最為廣泛，平均節(jié)能效果通常在5%～10%，但是此種控制方法常需要對電源進行波形控制，增加了諧波污染，同時控制實現上相對較為復雜。繞組結構調壓，控制簡單，設備使用于壽命長，但適應范圍有一定的限制，例如星角轉換適用于輕載工況，且波動負荷對其有較大的限制作用，繞組結構調壓平均節(jié)能效果為5%左右。多技術融合調壓，節(jié)能效果最為突出，通常可達10%以上，但此種方法技術實現上較為復雜，對多領域專業(yè)知識要求較高。隨著節(jié)能需求的逐步提高，以及人工智能、大數據、新能源等技術的深入融合，多技術融合調壓節(jié)能將是未來研究的重點方向之一。

3 非調參型節(jié)能電機

非調參型節(jié)能電機是指在不改變抽油機周期等運行參數的前提下，通過使用可適應抽油機系統(tǒng)負荷工況特點且本身效率較高的電機，實現抽油機系統(tǒng)的運行效率提升。常用的節(jié)能電機包括永磁同步電機(PMSM)、高轉差電機、高效電機等。

3.1 PMSM

BPM所使用的永磁電機通常具有自起動功能。電機轉子采用永磁體作為磁極，轉子上沒有銅耗與鐵耗，電機處于同步運行狀態(tài)，運行功率因數可以接近1，這使得定子繞組及供電線路中的電流沒有無功分量，可有效降低繞組及線路上的銅耗。與異步電機相比，永磁電機的功率密度較高，起動轉矩較大，可一定程度上降低裝機容量，上述3個方面是電機效率提升的主要途徑。但油田供電線路較長，電能質量波動較大，例如線路首段電壓可達到420 V，而線路末端可降低至360 V，永磁電機對電源質量要求較高，當供電電源與電機額定電壓幅值相差較多時，會使得空載電流急劇增加，使得電機發(fā)熱較大，增加了失磁概率。同時，永磁電機機械特性較強，起動過程對抽油機機械環(huán)節(jié)沖擊較大，一定程度上降低了機械環(huán)節(jié)使用壽命。

相關學者對永磁電機節(jié)能方法做了很多研究。文獻[18]針對油田負荷特點，從結構、應用條件等方面，對不同結構形式的高轉矩密度、低速大轉矩永磁直驅電機進行了對比分析，為實現高性能低速大轉矩永磁直驅電機提供參考。文獻[19] 針對抽油機負載率不高于額定負載30%的工況特點，提出了高起動轉矩、高效率以及擴大經濟運行范圍的PMSM應用措施，并制訂了電機設計準則，實現22 kW替代用37 kW感應電機，達到節(jié)能目的。 文獻[20] 采用優(yōu)化設計的無阻尼繞組內永磁轉子代替鼠籠式轉子，以及采用無阻尼繞組的同步磁阻轉子代替同步電機中的轉子，可進一步降低電機的損耗，實現效率的提升。文獻[21]在針對非晶金屬定子鐵心等材料的PMSM的空載鐵損、負載損耗和熱性能分析的基礎上，研究了變頻器供電條件下電機的空載鐵損、額定負載損耗和熱特性的分布，最后對樣機的損耗和熱性能進行了測試。

3.2 高轉差電機

3.2.1 節(jié)能原理

高轉差電機結構形式上和普通異步電機基本相同，工作原理是通過增加轉子電阻值來提高電機的轉差率，實現電機的軟特性，表達式如下：

(1)

式中:RX為轉子上增加的電阻值;R0、s0為正常異步電機轉子電阻值及額定功率下的轉差率，可認為是常數。由式(1)可知，隨著RX增加電機轉差率也會增加，電機的轉速降低。

高轉差電機在BPM系統(tǒng)應用過程中，其節(jié)能機理可總結如下[22-23]。

(1) 降低裝機容量。普通的高轉差電機的轉差率可達15%以上。由電機工作原理可知，電機運行功率P與電機負載轉矩T及轉速n成正比，表達式如下：

P=K0Tn

(2)

BPM屬于勢能負荷，其負載轉矩除了重力部分作用外還有加速力矩，當電機轉差率較高時，速度變化率降低使加速力矩降低，進而抽油機負載轉矩T降低，同時抽油機轉速n會降低，最終實現功率降低。因此，可以用較小容量的超高轉差率電機取代目前較大容量的普通電機做到合理的功率匹配, 從而減少其固定損耗實現節(jié)能。

(2) 降低平均功率。超高轉差率電機在轉差率較高運行時其轉速有所下降，在滿足運行參數的前提下，運行周期上升使抽油機一個沖次內的平均功率降低，進而實現節(jié)能目的。

(3) 降低發(fā)電工況。通過降低電機運行過程中的輸出轉矩與轉速，可減少抽油機運行時的發(fā)電狀態(tài), 進而降低能量轉換過程中的損耗。

3.2.2 技術研究現狀

相關學者針對高轉差電機在油田應用做了相關的研究。文獻[24]對比分析了高轉差電機與異步電機的機械特性與外特性特點，通過理論與試驗結合的方式驗證了高轉差電機可提高抽油機運行效率。文獻[25]在研究舉升工藝技術工作條件、適應性、技術特性、油藏自然特性的基礎上，建立了包括系統(tǒng)舉升工藝技術在內的綜合優(yōu)選評價指標體系，分析了在日產液量增加的條件下，選用高轉差電機與普通配電箱相結合的驅動方式的經濟合理性。

3.3 高效電機

中國國內應用比較廣泛的高效電機主要是YE3系列電機。此類電機通過從設計、材料和工藝上改進，實現提高運行效率，其中在鐵磁材料上采用了高導磁低損耗冷軋無取向硅鋼片；設計上采用更加優(yōu)化合理的定子、轉子槽數，改善風扇參數以及正弦繞組等措施降低損耗，其最終效率可提高2%～8%。

有關學者針對油田工況特點，在上述高效電機的基礎上，設計更加適合采油系統(tǒng)的高效率、高起動轉矩和較軟的機械特性的節(jié)能電機，此種設計可有效適應抽油機系統(tǒng)轉動慣量大以及不均勻沖擊載荷的工況特性[26-27]。

3.4 節(jié)能電機效果綜合分析

上述節(jié)能電機，永磁電機可適用于不同工況條件的BPM，平均節(jié)能效果通常可達7%以上，但生產成本較高，同時退磁現象較為嚴重等原因限制了其應用范圍。高轉差電機針對不同工況其節(jié)能效果差異較大，對于負載較重工況節(jié)能效果明顯，但輕載時節(jié)能效果較低，因此，其適用范圍受到很大限制。高效電機由于其起動性能良好以及效率高的特點，使其適用范圍最為廣泛，針對恒定負荷節(jié)能優(yōu)勢更加明顯，而BPM變工況運行條件使其節(jié)能效果明顯降低。

4 斷續(xù)供電節(jié)能技術

斷續(xù)供電的節(jié)能理念于2002年前后由華北電力大學節(jié)能研究團隊提出。工作原理是根據抽油機負荷特性，在電機處于空載及發(fā)電工況不需要輸出功率時，實施斷電操作,此時電機、變壓器及線損均為零。最大限度提高系統(tǒng)節(jié)能潛力；當需要電機輸出功率時，采用了快速軟投入技術接通電源，可有效避免沖擊電流對系統(tǒng)帶來的沖擊。

4.1 節(jié)能原理

圖5是BPM一個周期的功率曲線示意圖。由圖5可知，運行B區(qū)域時負載逐漸降低進入發(fā)電工況，此時切斷電源，靠外部機械慣性及勢能可實現繼續(xù)運行，在運行到C區(qū)域需要驅動力矩時，采用“快速軟投入”技術重新投入電源，由此完成了一次“斷續(xù)供電”節(jié)能控制[28]。

圖5 BPM斷電和通電控制過程

由斷續(xù)供電節(jié)能原理可知，影響斷續(xù)供電節(jié)能效果的因素主要包含如下方面[1]。

(1) 斷電時間。如果有效地延長斷電時間，相應的節(jié)能效果也會顯著提升，發(fā)電區(qū)域是機械勢能釋放為動能的過程，增加的動能可使BPM不需要電機驅動即可進入電動區(qū)域，因此，充分利用空載以及發(fā)電區(qū)域勢能，能夠提升斷電持續(xù)的時間。

(2) 投入過程沖擊功率。電機從“斷電”到“通電”過程，假如直接導通電源，會產生很大的沖擊電流并增加損耗。通過相應的控制策略，有效降低電源投入過程的沖擊電流，可減少損耗、提高節(jié)能效果，同時降低機械沖擊。

4.2 節(jié)能效果

采用斷續(xù)供電節(jié)能技術，采油系統(tǒng)中大部分的BPM均能保證節(jié)電率達到10%以上，數據如表1所示[1]。其中,在大慶某廠共18口井測試平均的有功節(jié)電率18.20%、綜合節(jié)電率21.40%。而在整條線路上安裝使用，通過變電所收費電表測量，節(jié)電率23.18%。在大港、廊坊等油田長時間運行測試的節(jié)電率均在15.00%以上。

表1 37 kW斷續(xù)供電節(jié)能效果

4.3 關鍵技術研究現狀

斷續(xù)供電節(jié)能技術是針對抽油機系統(tǒng)研發(fā)的新的節(jié)能方法，其中的“斷電”與“通電”是實現節(jié)能的關鍵環(huán)節(jié)。為了保證抽油機系統(tǒng)在“斷電”到“通電”控制過程中，抽油機能夠穩(wěn)定運行，且轉速等運行參數在合理范圍內，則斷電時刻準確選擇、通電時刻判定與通電過程中實現電源無沖擊控制是研究的重點[29-30]。

4.3.1 “斷電”環(huán)節(jié)關鍵技術現狀

“斷電時刻”準確判定是保證系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運行的前提，也是后續(xù)能夠實現“無沖擊”快速通電控制的基礎。針對此環(huán)節(jié)關鍵技術，文獻[31]在充分考慮驅動環(huán)節(jié)振動、井下液面等影響因素的條件下，提出一種基于模糊控制的斷電時刻判定方法及相應控制策略。文獻[32]在對負荷曲線變化規(guī)律、電動及發(fā)電工況特性參數準確辨識的基礎上，設計了以斷電后轉速變化值為輸入變量、功率累加值為輸出變量的模糊控制器，實現斷電時刻準確判定，通過實際測試獲得了良好的節(jié)能效果，實測效果如圖6所示。由圖6可知，選取功率處于輕載且下降運行狀態(tài)作為斷電時刻，斷電后抽油機繼續(xù)旋轉，且轉速變化范圍滿足設定要求。該方法控制簡單、工程應用性較強，但對專家經驗依賴性較高。

圖6 電機功率及轉速變化曲線

為了更加準確有效地控制斷電后轉速變化范圍，文獻[33]提出了一種斷電后抽油機轉速預判的斷電時刻準確判定方法。該方法研究了平衡力矩與曲柄位置、懸點、泵載荷與位移之間的關系，揭示不同供電形勢下負載轉矩隨曲柄旋轉角度的變化規(guī)律,并建立由曲柄角度表示的負載轉矩方程，進一步通過電氣量預先計算出斷電后負載轉矩和轉速變化趨勢,實現了最佳斷電時刻準確判定，實測效果如圖7所示。由圖7可知，通過轉速預判的方法，斷電時刻選取更加合理，同時可有效控制轉速變化范圍，提高系統(tǒng)安全性，但此種方法對系統(tǒng)參數要求較高。

圖7 電機功率及轉速變化曲線[33]

4.3.2 “投入”環(huán)節(jié)關鍵技術現狀

針對“投入”環(huán)節(jié)關鍵技術，文獻[34]提出在0.1 s內完成電源接入的快速投入控制策略，在建立αβ0坐標系降階不對稱瞬態(tài)模型和空間向量復數變量的對稱瞬態(tài)數學模型的基礎上，揭示了斷電后再次通電時沖擊電流與觸發(fā)角度之間的關系，快速計算出初始觸發(fā)角序列值，最終得到完整的軟投入控制策略。文獻[35]根據電機斷電后定、轉子運行特性，求得定子殘壓解析表達式，并研究了定子殘壓條件下的電源切換策略和切換時刻判定方法。文獻[36]在無殘壓條件下，在感應電機非對稱-對稱數學模型的基礎上，提出基于真空斷路器與晶閘管閥并聯(lián)方式的電源快速投入感應電機參數解析方法。

在BPM系統(tǒng)控制應用方面，文獻[37]在分析電源投入時刻負載轉矩和轉速以及動態(tài)變化對沖擊電流的影響的基礎上，提出可計及負載動態(tài)變化的快速軟投入控制方法。該方法依據不同轉速條件下投入電源時沖擊電流特點，并結合負載轉矩動態(tài)特性確定最佳電源投入時刻，在上述基礎上，以全波投入時產生可滿足負載需求轉矩為目的，以投入初始時刻電流幅值為限定條件，制訂電源軟投入觸發(fā)角的確定方法，最終實現電機產生與負載相匹配的轉矩，達到了有效限制沖擊電流的目的，效果對比如圖8所示[37]。由圖8可知，當控制策略不滿足要求時會產生較大的沖擊電流，而選擇合理的投入時刻和控制方法可有效降低沖擊電流，實現電流的“無沖擊”控制。

圖8 觸發(fā)過程沖擊電流

5 節(jié)能技術綜合對比分析

節(jié)能技術是否能夠得到推廣應用，受到很多因素影響。其中節(jié)能效果是基礎，但適用范圍、技術難度，以及是否對系統(tǒng)產生影響也是推廣應用的主要限制條件。對上述節(jié)能技術綜合對比如表2所示。表2中節(jié)能效果數據，通過現場實測、文獻檢索，以及大慶節(jié)能監(jiān)測中心的抽油機檢測平臺獲得，同時對不同工況條件下的節(jié)能數據取平均值作為能效依據。適用范圍以某油田節(jié)能技術推廣數量作為依據；技術難度以及系統(tǒng)影響則以理論分析及實測為依據。上述的對比，在某種程度上不夠全面，但對技術本身特點的比較分析具有一定借鑒作用。

表2 節(jié)能技術綜合對比

6 結 語

節(jié)能是降低能源消耗的重要手段之一，針對不同能源消耗形式與工況特點，相應的節(jié)能方法與實現方式必然有一定的差異。由于油田機采系統(tǒng)處于復雜運行工況，對該用電領域研發(fā)了多種節(jié)能技術。隨著節(jié)能降耗需求的日益強烈以及節(jié)能空間的不斷縮小，以往的節(jié)能方法無法滿足節(jié)能需求，因此，研究出更加有效提升節(jié)能效果及應用范圍的新節(jié)能技術，成為節(jié)能領域研究者面臨的挑戰(zhàn)。針對上述問題，通過以下研究方向可在一定程度上取得節(jié)能效果的提升。

(1) 系統(tǒng)能效機理精細化分析。建立勢能系統(tǒng)各環(huán)節(jié)高精度仿真模型，以此為基礎通過對BPM系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的能耗構成機理的深入精細化分析，揭示出不同環(huán)節(jié)運行工況變化對本身及其他環(huán)節(jié)能效影響的變化規(guī)律及節(jié)能潛力，為后續(xù)研究新節(jié)能技術奠定理論基礎。

(2) 多技術融合。針對單一節(jié)能技術效果無法滿足節(jié)能需求的問題，根據不同節(jié)能方法的節(jié)能機理與技術特點，采用多技術融合的方式，發(fā)揮單一方法作用的同時，補償或優(yōu)化其他節(jié)能方法的效果，最終有效提升系統(tǒng)節(jié)能效果。例如：斷續(xù)供電、平衡調節(jié)、調壓相結合，其中平衡調節(jié)可降低峰值功率及功率的變化趨勢，為提升調壓節(jié)能效果奠定基礎，而調壓節(jié)能可提升斷續(xù)供電控制中通電區(qū)域的節(jié)能效果，同時3種節(jié)能技術均可使用電子開關實現控制，成本增加可控。

(3) 區(qū)域性節(jié)能綜合改造。抽油機運行工況復雜多變，針對單井工況特點進行的針對性的節(jié)能控制，雖然可較高程度提高節(jié)能效果，但應用范圍有一定的限制，同時投入較大而導致回收期較長，使得工程應用上有一定的局限性。針對上述問題，可采用對某一條線供電線路或一個區(qū)域進行節(jié)能綜合改造，通過對所有單井負荷功率特性的歸納，劃分出理論節(jié)能空間，針對不同節(jié)能效果，以綜合節(jié)能效果為目標，以經濟指標為限定條件，采用多技術融合節(jié)能方法為主體，其他技術輔助結合的綜合改造方案，達到預期的目的。