伺服拖動系統在喇嘛甸油田的適應性分析

張乃亮（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

伺服拖動系統在喇嘛甸油田的適應性分析

張乃亮（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

游梁式抽油機是油田普遍采用的采油裝置，在工作過程中由于上下沖程的載荷不均勻，嚴重影響了換向機構、減速箱和電動機的壽命和效率，致使系統能耗偏高。針對這一問題提出了伺服拖動系統技術，該技術可以根據油井實際運行狀態自動實時調控電動機的機械特性,使之與抽油機的負載變化相互匹配,使拖動裝置扭矩輸入功率變化趨于平緩，降低油井能耗，提高系統效率。

喇嘛甸油田 游梁式抽油機 伺服拖動 適應性分析

D O I:10.3969/j.i ssn.2095-1493.2011.05.003

目前，喇嘛甸油田共有抽油機井2118口，平均單井系統效率為30.71%，單井能耗為9.68 kW，總能耗占全廠機采井能耗的1/3。針對抽油機井能耗較高的問題，近幾年采取了可控硅調壓、斷續供電、電動機合理匹配以及整體參數優化等技術來降低電能消耗，提高系統效率。以上技術的實施對降低抽油機井能耗、提高系統效率發揮了很大的作用，但是未能從根本上解決抽油機井在抽汲過程中由于載荷不均勻致使能耗依然偏高的現狀，而伺服拖動系統可以根據油井實際運行情況自動調節抽油機沖程速率，降低轉矩波動，平緩拖動裝置的扭矩輸入功率變化，降低油井能耗。在電能利用率上，當電動機處于輕載狀態時，其功率因數會降低很多，對于交變載荷的機械系統，低功率因數就意味著電能的浪費，伺服拖動系統基于感性控制的功能，可以使電動機功率因數處于0.85以上的較高水平。

1 伺服拖動系統技術原理

伺服系統屬于自動控制系統中的一種，是具有負反饋的閉環控制系統，它用來控制被控對象的轉角（或位移），使其能夠自動、連續、精確地跟蹤輸入指令[1]。其工作原理是驅動器從外面接收參數信息，將電流輸送給電動機，通過電動機扭矩帶動負載，負載根據自己的特性進行動作或加速，傳感器檢測負載的位置，使驅動裝置對參數信息值和實際位置值進行比較，然后通過改變電動機電流使實際位置值和參數信息值保持一致[2]，見圖1。

2 伺服拖動技術適應性分析

2.1 負載轉矩柔性匹配

（1）軟啟動功能

為有效驗證伺服控制系統的軟啟動以及自動調節功能，對8-2030井常規狀態以及伺服控制狀態的啟動電流進行了對比測試，見圖2。

啟動電流曲線表明：伺服系統可以自動調節啟動過程中的運行速度，實現抽油機的軟啟動，有效降低電動機的啟動電流，大大降低啟動過程中電動機和機械系統的載荷沖擊，實現了大慣性機械負載真正意義上的柔性、平滑啟動。該技術特性可以有效解決抽油機井功率匹配過大的問題，從而可以實現降低裝機功率、減少電動機自身能耗的目的。

（2）負載轉矩柔性調節特性

伺服控制系統根據驅動器接收的參數信息進行識別，然后通過電流控制電動機扭矩來帶動負載，自動進行動作或加速調節抽油機井交變載荷的變化，使電動機、變速箱的輸入、輸出扭矩變化趨于平緩[3]。

對8-2030井在常規運行以及伺服控制運行狀態下的扭矩曲線進行了對比測試，見圖3。

測試曲線表明：伺服控制系統可以大幅度降低轉矩波動，在遇到換向沖擊載荷或上沖程載荷時，變速箱和電動機的扭矩輸入功率變化趨于平緩，峰值扭矩明顯降低，改善了機、桿、泵機械平衡的柔性配合。電動機機械特性與抽油機負載特性的有機結合，有效降低了機械沖擊負載對機、桿、泵、變速箱的疲勞損傷，有利于延長設備使用壽命，減少維修作業。

2.2 系統化節能

為有效驗證伺服拖動系統化節能效果，對8-2030井運行電流曲線以及能耗數據進行了對比測試，見圖4。

運行曲線表明：伺服控制系統的閉環控制和快速響應特性能夠在運行過程中根據負載的變化對電動機轉矩進行實時調節，合理地協調驅動裝置的運行狀態，使扭矩輸入功率變化趨于平緩，保證抽油機系統運行能耗最低，切實地做到了按需供給，不浪費有用電能；同時伺服系統的軟啟動特性可以有效解決抽油機井功率匹配過大的問題，實現功率匹配合理，電動機自身耗能最低。

2.3 寬范圍無級調速

伺服控制系統可以實現電動機轉速在零至額定轉速之間任意變速調節，且可以恒轉矩輸出，在特定工況下可以高于額定轉速調速運行，使抽汲參數的調整變得更為方便；而且在一個完整的沖程過程中可以實現上沖程快、下沖程慢或與之相反的工作模式，設置比較便捷。

3 伺服拖動系統應用效果

在8-2030井開展了伺服拖動系統的現場應用試驗，該井由常態進入伺服拖動系統工作狀態后，測試數據對比見表1。

表1 8-2030井試驗效果統計

應用伺服拖動系統后裝機功率降低了8%，電動機功率因數由0.43提高至0.81，提高了0.38。高功率因數的運行狀態，可以大大降低電路損耗。

現場實施后平均單井有功功率由7.97 kW降至5.68 kW，降低了2.29 kW，有功節電率達到28.73%，綜合節電率為35.11%，平均單井年節電1.97×104kW·h，投資回收期為53個月。

該技術的應用既有效降低了系統能耗，同時也改善了抽油機交變載荷變化對桿管的機械沖擊，延長其使用壽命，減少作業費用。

4 結論及認識

（1）伺服控制系統的閉環控制和快速響應特性對電動機轉矩的實時調節，可以合理地協調驅動裝置的運行狀態，有效降低系統能耗。

（2）軟啟動功能以及伺服控制功能可以有效降低抽油機井交變載荷帶來的機械沖擊，使減速箱、電動機輸入扭矩趨于平緩，利于保護設備。

（3）伺服控制系統可以使電動機在較高功率因數狀態下高效運行，大大降低電能消耗。

[1]戈璜.交流伺服異步電機驅動抽油機的研究[J].石油鉆采工藝，2005(4):110-131.

[2]金以慧.過程控制工程[M].北京：清華大學出版社，2000:103-123.

[3]徐小增，秦憶.矢量控制異步電動機的自適應控制和參數辯識[J].電機與控制學報,2002(2).

張乃亮，2003年畢業于中國石油大學（華東），工程師，從事機采井節能工作，E-mail：zhangnailiang@163.com，地址：大慶油田有限責任公司第六采油廠工程技術大隊，163114。

2011-05-23）