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几种抽油机节能装置节能效果及性能比较
一、概述
　　自从100多年前，以燃烧石油制品为动力的机器诞生以来，对石油的需求量飞速增长，也为石油工业的发展提供了契机。随着采油业的发展，产生了被广泛使用的油井举升设备——抽油机。抽油机的种类繁多，技术发明有数百种。从采油方式上可分为两类，即有杆类采油设备和无杆类采油设备。有杆类采油设备又可分为抽油杆往复运动类（国内外大量使用的游梁式抽油机和无游梁式抽油机）和旋转运动类（如电动潜油螺杆泵）；无杆类采油设备也可分为电动潜油离心泵，液压驱动类（如水力活塞泵）和气举采油设备。
　　我国的油田不像中东的油田那样有很强的自喷能力，多为低渗透的低能、低产油田，大部分油田要靠注水压油入井，再用抽油机把油从地层中提升上来。以水换油或者以电换油是我国油田的现实，因而，电费在我国的石油开采成本中占了相当大的比例，所以，石油行业十分重视节约电能。目前，我国抽油机的保有量在10万台以上，电动机装机总容量在3500MW，每年耗电量逾百亿kWh。抽油机的运行效率特别低，在我国平均效率为25.96％，而国外平均水平为30.05％，年节能潜力可达几十亿kW·h。除了抽油机之外，油田还有大量的注水泵、输油泵和潜油泵等设备，总耗电量超过油田总用电量的80％，可见，石油行业也是推广“电机系统节能”的重点行业。
　　抽油机节能包括节能型抽油机和抽油机节能电控装置的研制与推广两个方面，对此两大技术的研究方兴未艾。介绍和宣传的文章很多，众说纷纭，莫衷一是。厂家的产品性能介绍亦有“王婆卖瓜”之嫌。因此，有必要将目前常见的几种类型的抽油机节能电控装置作一个科学的分析比较，以供用户选用时参考。在全国各油田进行试验或已投运的节能电控装置不下数十种之多，大体上可以分为以下几个类型，下面分别加以讨论。
　　二、间抽控制器
　　由于抽油机是按照油井最大化的抽取量来进行选择的，并且还留有设计余量。另外，随着油井由浅入深的抽取，井中液面逐渐下降，泵的充满度越来越不足，直到最后发生空抽的现象，如果不加以控制，就会白白地浪费大量的电能。对于这种油井，最简单的方法是实行间抽，即当油井出液量不足或发生空抽时，就关闭抽油机，等待井下液量的蓄积，当液面超过一定深度时，再开启抽油机，这样就提高了抽油机的工作效率，避免了大量的电能浪费。
　　间抽控制的原始做法是派人定时到油井去开停抽油机，即使在发达国家，目前也还有不少油井采用这种人工控制方式，以便解决抽油机的低效和浪费问题。这种做法每天要派人去井场操作好几次，经过长期试验才能摸索出适合各油井的间抽规律，费工费时。于是就引入了定时钟，只须设定开、停机时间，便能自动地进行间抽控制，但是，这仍然无法解决令抽油机的工作能力动态地响应油井负荷的变化，以达到最佳的节能效果，同时，还有可能会影响油井的产量。
　　为了解决上述问题，通过安装相关的传感器，精确感知油井负荷的动态变化，实现智能间抽控制。为此，可采用各种不同的传感器达到控制目的，下面分别予以介绍。
　　液面探测器：如果能直接测出井中的液面，那么就可以用它来控制抽油机的运行。当液面高度超过泵时，就启动抽油机；当液面降到泵的吸入口处时，就关闭抽油机，避免空抽的发生。早期的方法是使用永久式的井下压力传感器来检测液面，现代则是利用声波装置从地面上自动监测井下液面深度，但是，由于装置复杂，维修费用高而没有得到普及。
　　流量传感器：在井口通过流量传感器检测油井的出液量，是实现抽油机控制最直接，也是最有效的方法。但是，由于国内的油井产量太低，有些油井的产量每天只有几m3，甚至不足1m3，合10cm3/s。这么小的流量检测，对于各种类型的流量传感器来讲都是一个难题，再加上井中采出的油液中含有大量的泥沙和蜡块，经常会发生堵塞现象，因而也未能获得推广应用。
　　电流传感器：应当说，电机电流的检测是最方便、最可靠，也是最为廉价的方法。当发生空抽时，下冲程开始时游动阀并没有打开，光杆载荷为杆柱重量及游动阀上部液柱的重量之和，可平衡掉大部分的配重的重量，电动机只要用很小的能量就可将杆柱送入井底，电机电流较小；当油井中泵的充满度较高时，下冲程开始不久，游动阀即打开，泵中液面托住了游动阀上部的液柱重量，并且使抽油杆柱也浸没在液体中，因而光杆载荷只是杆柱在液体中的浮重，这也就意味着电机将用较大的能量来举起曲柄或游梁尾部的平衡块的重量才能将杆柱送入井底，因而电流就较大。
　　抽油杆载荷传感器：普遍采用的方法是通过特制的传感器，对抽油机的光杆载荷进行检测，因为光杆载荷是井下泵运行情况的最好监视器，并且它不受平衡配重的影响。泵的充盈系数（包括空抽）通过对抽油杆载荷的分析可以很容易地被检测出来。另外，更重要的是抽油杆载荷数据，加上抽油杆位置的信息，正是分析井下工况的“示功图”的必备数据，利用这些信息可对抽油机的运行情况进行全面的分析。在光杆或游梁上安装测力传感器可以测出抽油杆的载荷数据。光杆测力传感器比较准确，但易于损坏；安装在游梁上的传感器准确度比较低，但比较耐用。
　　三电动机星三角转换节能
　　由于抽油机的功率档次有限，而每一口油井的参数都不一样，在选配抽油机时，不可能做到量体裁衣，刚好和抽油机的功率档次相匹配，一般留有一定的功率裕量；各型抽油机在配用电动机时，为了保证抽油机在各种工况下正常运行，也留有一定的功率余量；随着油井由浅入深的抽取，油井的产液量越来越少，抽油机的负荷也相应减小。由于上述原因，就造成了抽油机的实际负载率普遍偏低，大部分抽油机的负载率在20％～30％之间，最高也不会超过50％，形成大马拉小车的现象。而当电动机处于轻载运行时，其效率和功率因数都较低，此时若适当调节电动机定子的端电压，使之与电动机的负载率合理匹配，这样就降低了电动机的励磁电流，从而降低电动机的铁耗和从电网吸收的无功功率，可以提高电动机的运行效率和功率因数，达到节能的目的。
　　由于低压电动机在正常工作时，定子三相绕组是△接法，这样每相绕组承受380V的线电压，电动机可产生额定的输出机械功率。电动机的转矩是与电压的平方成正比的，当电动机轻载（负载率<33％）时，可以将电动机的绕组由△接法改成Y接法，使每相绕组只承受220V的电压，电动机的转矩也就仅为额定转矩的1/3。当负载率>33％时，再将电动机绕组改为△接法运行，否则，会因电流过大而烧毁电动机。电动机在进行Y/△转换时会产生冲击电流。
　　Y/△接法转换的实现一般采用交流接触器实现，也可以通过晶闸管开关实现，两种方法在节能效果上并无差异，而转换控制电路如何准确掌握转换时的负载率则会对节能效果产生较大的影响。当负载率β<33％时，不能及时进行△→Y切换，则会影响节能效果，而当负载率β>33％时，不能及时进行Y→△切换，则会使电流过大，铜耗增加，反而费电，同样影响节能效果。为了不使转换频繁发生，一般在转换点的负载率之间设置一定的回差，通常采用负载率β<30％时进行△→Y转换，而当β>35％，进行Y→△转换。
　　四、晶闸管相控调压节能(STD)
　　一般而言，磕头式抽油机均普遍存在抽取能力大于油井实际负荷的问题。因此，泵空或空捞现象便相伴而生。泵空增加无效行程，浪费大量电能，同时也使抽油设备的维护费用提高。STD内部主要由相控电机节电器及保护单元、控制回路等部分组成，其核心部分是相控电机节电器，相控电机节电器将最新智能可编程软件固化在微处理器上，通过先进的电子线路对负载电机进行实时检测与跟踪，实时控制晶闸管（可控硅）的导通角，在百分之一秒以内提供电机最适宜的工作电压与电流，使电机的输出功率与实时负载刚好匹配，从而有效地降低电机的功率损耗，改善电机起动、停机性能，达到节电的效果。
　　STD相控调压节电器适用于各类处于轻载或变负载运行状态下抽油机电机节能控制，不改变抽油机的上下行程和运行速度，在不减少抽油量的前提下实现节能效果。相控节电器配备了软启动功能，可以大大降低电机的启动电流，减少冲击电流对电机绝缘的破坏、降低电机运行温度、减少电机的维护量、延长使用寿命。相控节电器对抽油机电机实时监控负载变化、匹配输入电机所需电能，大大减少电机本体的发热、振动、噪音和铁磁损耗，有效改善电机的运行条件。
　　基于相控节电技术的电机节电器全自动智能化节电，无需人工调节，节电率效果比较明显，不改变电机原有转速，不影响抽油机采油量，串联于抽油机电机前端，安装使用简捷易用，具有软启动，动态跟踪负载，调节用电设备输入功率，提高用功功率等功能，可有效地保护电机及机械设备，设备运行平稳、可靠，是抽油机节能改造的最佳方案。STD油田抽油机节能控制柜就是基于相控节电技术，专门针对油田抽油机运行效率低、能源浪费严重而推出的新一代油田节能产品，目前在国内许多油田已经得到认可和广泛应用。
　　五、无功就地补偿节能
　　交流异步电动机的无功就地补偿就是将补偿电容器组直接与电动机并联运行，电动机启动和运行时所需的无功功率由电容器提供，有功功率则仍由电网提供，因而可以最大限度地减少拖动系统对无功功率的需求，使整个供电线路的容量及能量损耗、导线截面、有色金属消耗量，以及开关设备和变压器的容量都相应减小，而供电质量却得以提高。
　　无功就地补偿只对长期空载或轻载运行的电动机有用，对于重载运行的电动机，因为其本身功率因数较高，没有补偿的必要。由于抽油机大部分处于轻载运行的状况，且由于其分散性，低压输电线路较长，本身功率因数又偏低，无功就地补偿的效果较好。对于抽油机这样的负载，负载频繁变化，没有必要采用自动投切的电容器组补偿，这样会增加成本，降低可靠性，是得不偿失之举。只要根据电机容量及平均负载率，选配适当容量的电容器进行固定补偿就行了，既经济又实用。目前，由于市售的补偿电容器质量都不好，寿命都不长，因此，应当选用质量较好的自愈式电容器，并有自放电电路的产品。
　　六、超高转差率多速电动机
　　抽油机由于其特殊的运行要求，所匹配的拖动装置必须同时满足三个最大的要求，即最大冲程，最大冲次，最大允许挂重。另外，还须具有足够的堵转转矩，以克服抽油机启动时严重的静态不平衡。因此，往往抽油机在设计时确定的安装容量裕度较大。如6型抽油机配Y200L6/18.5kW，10型抽油机配Y250M6/30kW等。20世纪80年代中分别引进国外超高转差电动机和超高转差多极电动机技术，对抽油机拖动装置进行了大量的科学实验，测试和分析，证明抽油机匹配超高转差率多速节能电动机拖动装置具有一定的节能效果。
　　降低抽油机拖动装置的安装容量裕量就是一个节能体现。由于所匹配功率下降，其对应的额定电流相应下降。网络及电机绕组的铜耗与电流平方成正，电流的下降自然带来了损耗的降低而达到节能。拖动装置软的机械特性造就了抽油机运行过程中电动机功率的有功分量和无功分量的变化，促使输入功率的降低。
　　抽油机固有的设计及运行特点与现场实际运行工况相比，不可避免地出现了大马拉小车的不合理匹配。抽油机维持在PH点的负载，在现场从未出现过，绝大部分负载在电动机额定功率（指输出功率）20％～30％左右。对普通电动机而言，如此运行，其效率和功率因数特低。对超高转差率多速电动机来讲，由于曲线平坦，η及cosψ在负载变化情况下，其值变化不大，从而相对来讲其η及cosψ高于普通电动机，致使有功功率降低，功率因数提高。因此，就节能而言，抽油机匹配超高转差电动机是合理的。当然，转差率的高低，机械特性的软硬是否越高越好、越软越好？对于这一问题，我们认为新技术的成立与否是通过生产实践验证的。转差率高低，机械特性软硬均应适度，否则对其实用性、可靠性带来不利影响。
　　超高转差率多速电动机软的机械特性造就了抽油机悬点最大负荷降低，抽油泵上行速度缓慢，抽油杆的弹性变形减小，从而使抽油泵的填充系数增加，吸液量增大，每冲次来油量增加，使单位液耗电能降低，具有一定的节能效果。
　　七、变频器调速节能
　　当油井的地下渗透能力小于抽油机的泵排量时（绝大多数油井如此），为了提高抽吸效率，降低单位产量的能耗指标，最直接的办法是实行间抽。但是大多数的油井是不允许间歇性工作的，因为如果长时间停机的话，轻则会影响产油量，重则会使油井无法再开启。这是因为：含蜡量高或含盐量高以及油的粘稠度高，且地处高寒地区的油井，如果间歇工作，会造成井口结蜡、结盐或结油的后果，使油井无法再开启；对于注水油井，如果停止抽取，势必会影响产油量，这将是得不偿失的事，对于这类油井，就要采用其它的节能方法。
　　为了使抽油泵的排量与油井的渗透能力相适应，可以通过改变抽油机的电动机转速来实现。抽油泵是一种柱塞泵，对电动机来讲是一种恒转矩性的负载，也即电动机的电功率与其转速成正比。这里要提醒注意的一点是:有人一说到泵，就想当然地认为和风机、水泵一样属于平方转矩型负载了，或者说“近似于泵类负载”，这都是错误的。要知只有叶片式的风机和水泵，在不计其静扭矩时，有近似于平方转矩的负载特性，也即：排量与转速成正比，压头（或扬程）与转速的平方成正比，而轴功率则与转速的立方成正比。
　　随着现代电力电子技术的发展，低压变频器已是十分成熟的电气产品，并且其价格也已经大幅度下降，目前进口变频器的价格约为600～700元/kW。国产变频器的价格在400～500元/kW，在抽油机上大量推广变频调速节能改造已经成为可能。抽油机改用变频器拖动以后有几个好处：可根据油井的实际供液能力，动态调整抽取速度，一方面达到节能目的，同时还可以增加原油产量；由于实现了真正的软起动，对电动机、变速箱，抽油机都避免了过大的机械冲击，大大延长了设备的使用寿命，减少了停产时间，提高了生产效率；大大提高了功率因数（可由原来的0.25～0.5提高到0.9以上），从而大大减少了供电电流减轻了电网及变压器的负担，降低了线损，挖掘出大量的“扩容”潜力。但是，将变频器用于抽油机拖动时，也有几个问题需要解决，主要是冲击电流问题和再生能量的处理问题，以下加以分析。
　　1、冲击电流问题
　　游梁式抽油机是一种变形的四连杆机构，其整机结构特点像一架天平，一端是抽油载荷，另一端是平衡配重载荷。对于支架来说，如果抽油载荷和平衡载荷形成的扭矩相等或变化一致，那么用很小的动力就可以使抽油机连续不间断地工作。也就是说抽油机的节能技术取决于平衡的好坏。在平衡率为100％时电动机提供的动力仅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，则需要电动机提供的动力越大。因为抽油载荷是每时每刻都在变化的，而平衡配重不可能和抽油载荷作完全一致的变化，才使得游梁式抽油机的节能技术变得十分复杂。因此，可以说游梁式抽油机的节能技术就是平衡技术。
　　据笔者对某油田18口井的调查，有6口井配重偏大，从而造成过大的冲击电流，冲击电流与工作电流之比最大可超过5倍，甚至超过额定电流的3倍！不仅浪费掉大量的电能，而且严重威胁到设备的安全。同时，也给采用变频器调速控制造成很大的困难，一般变频器的容量是按电动机的额定功率来选配的，过大的冲击电流会引起变频器的过载保护，不能正常工作。
　　通过对抽油机曲柄配重块的调整，可以使冲击电流降到电机额定电流之内，冲击电流与正常工作电流之比在1.5倍以内。这样，选用与电机额定功率同容量的变频器，甚至略小于电机额定功率的变频器（要视抽油机电动机的负载率而定）都可以长期稳定运行。由于抽油机的起动扭矩往往很大，惯性也很大，所以要将变频器的加减速时间设置得足够长，一般为30～50s，才不致在起动时引起过载保护。
　　2、再生能量的处理问题
　　由于抽油机属位能性负载，尤其当配重不平衡时，在抽油机工作的一个冲程中，会出现电动机处于再生制动工作状态（发电状态），电动机由于位能或惯性，其转速会超过同步速，再生能量通过与变频器逆变桥开关器件（IGBT）并联的续流二极管的整流作用，反馈到直流母线。由于交—直—交变频器的直流母线采用普通二级管整流桥供电，不能向电网回馈电能，所以反馈到直流母线的再生能量只能对滤波电容器充电而使直流母线电压升高，称作“泵升电压”。直流母线电压过高时将会对滤波电容器和功率开关器件构成威胁，为了保护电容器及功率开关器件的安全，所以，变频器都设置了直流母线电压高保护停机功能。
　　第一种办法是增大变频器直流母线上滤波电容器的容量，将再生能量储存起来，等电动状态时再释放给电动机作功。这种方法对节能有利，但是电容器的储能作用是有限的，在大容量或者负载惯量大的系统中，不可能只靠滤波电容器来限制泵升电压。
　　第二种办法是采用“放”的办法，可以采用由分流电阻器Rp和开关管S11组成的泵升电压限制电路。也就是将回馈能量消耗在电阻上，这是一种耗能的方法，对节能不利。尤其是在大容量或者大惯量拖动系统中，能量的损失较大。
　　第三、对于地处北方寒冷地区的抽油机，为了在冬季增加原油的流动性和防止结蜡，而对井口回油管进行电加热，如采用中频加热装置。这时也可将变频器与中频电加热装置共用整流电路及直流母线，这样可将电动机回馈到直流母线上的再生能量用于中频加热器，同时又防止了直流母线电压的泵升。
　　第四、对于同一井场上有多口油井的场所，可以采用共用直流母线系统方案，即若干台抽油机的变频器可共用一台整流器，将其直流母线联结在一起，利用各变频器的回馈能量不可能在同时发生的原理，将某一台变频器的回馈能量作为其他变频器的动力。这样即节约了能量，又防止了泵升电压的产生。
　　第五、对于更大功率的系统，为了回馈再生能量，提高效率，可以采用能量回馈装置，将再生能量回馈电网，当然这样一来，系统就更复杂，投资也就更高了。所谓的能量回馈装置，其实就是一台有源逆变器。
　　3、电磁兼容性问题
　　这里主要讲电磁干扰（EMI）问题，即变频器对微电脑控制器，传感（变送）器及通信设备的干扰问题。变频器是一个很强的电磁骚扰源，变频器中的开关器件，以及SPWM电压波形，会对控制及通信系统造成很大的干扰。干扰的途径，除了感应、辐射之外，还包括传导干扰，即通过连接导线传导的干扰。在控制系统中，变频器只是一个执行机构，它的运行频率（速度）指令由控制器通过对油井液量等信号的控制运算后给予，变频器就通过控制信号线，给微电脑控制器造成了很大的干扰，以致使控制器无法正常工作。因为是传导性干扰，采用屏蔽线是不解决问题的，要从信号线上的共模及差模干扰入手，采用共模与差模滤波器，才能解决干扰问题。
　　4、闭环控制的采样问题
　　抽油机利用变频器调速，使之动态适应油井负荷的变化，达到节电的目的，必须要加外部传感器，否则无法实现闭环智能控制，只能实现人工定值控制。所采用的传感器的类型，与间抽控制器大体相同，但是在要求上是有差别的。流量检测是最直观、最准确的方法，如果能实现小流量检测并解决防堵问题，应尽量采用流量传感器。光杆载荷传感器也能用来检测井下液量的多少与间抽控制不同的是，闭环调速控制只要求载荷的变化趋势，不需要标定空抽设定值。光杆的平均载荷大，说明井下液量少，应减速运行，反之则可加速运行。电流控制不可取，因为这里除了配重的影响外，当电机调速时，电流也是随着变化的，因此不能将电流信号用作控制依据。
　　八、结束语
　　1、抽油机在油田的使用量大，而负载率普遍偏低，功率因数则更低，电能的无谓浪费严重，节能降耗潜力巨大。
　　2、间抽控制器在低产油井上有一定节能效果和经济效益，但效果不是很明显，由于其采用接触器作为主要元件，在降压切换过程中又要经常动作，因此产品寿命不会很长，需要经常维护。
　　4、晶闸管相控调压节能，是目前油田节能应用上较为理想的节能产品，其相控节能控制柜可以取代原有配电柜，便于管理与维护，节能效果普遍较高，近几年在大庆油田、中原油田和辽河油田得到了广泛应用，其造价低，经济效益明显、易安装易使用用是主要优势，值得在油田推广。
　　5、高转差率多极电机拖动系统，能适应油井调参要求，软的机械特性对延长抽油机寿命有利，新装油田可以采用这类产品。
　　6、变频调速系统，使抽油机动态适应油井负荷变化，也可方便地进行调参。配以流量、载荷等传感器，可实现最经济的控制。同时其软起动性能好，对延长抽油机寿命，减少维护费用有利。能耗基本上与转速成正比，在部分可以降速的场合可以节能。
　　7、抽油机节能电控装置的发展方向是节能效果好，能与油井负荷相匹配，并有完善的保护功能；有数据采集和存储功能，联网和通信功能，以及遥控遥测功能；并能适应油田的环境要求，操作简单，智能化程度高。