國內外油田抽油機各種節能方案的分析

張選正

(索肯和平(上海)電氣有限公司，上海 201908)

0 引言

石油開采是國民經濟的支柱產業之一。我國是采油大國，亦是耗油大國，故開源節流，節能降耗，低碳排放尤為重要。從原油到成品，耗電量較大，約占成本的40%。因此，油田是耗電大戶，是節電的重點。

抽油機是采油的主要設備，屬恒轉矩注塞泵。使用數量多，按油田面積大小，少則幾百臺，多則幾千臺，節電潛力大。抽油機的功率范圍一般為18.5～55 kW/臺。抽油機工作時間長，幾乎24 h 365天工作，只要機械設備正常，就處于連續工作制。

1 抽油機的負荷特點

(1)起動轉矩大。因有飛輪及平衡錘配重，所以起動轉矩較大，則選用的電機功率也較大。

(2)負荷率較低。起動后實際工作時，一般負荷率約為60%，存在大馬拉小車的現象。

(3)泵填充系數變動。受井深度(國內多數是1 000～3 000 m)、原油稠度、上升速度、環境溫度(－20～50℃)，與含水分比例等因素有關。溢流是隨機變化值，不是固定不變的。為保持泵的高效率、多采油，其上升速度要及時調整到控制技術要求，采用智能型控制方式，使得所需功率與實際匹配。

(4)上升下降負荷性質不同。油泵上升時處于電動機工作狀態(即作正功)，下降時按速度快慢及平衡錘調整狀態不同以及活塞的間隙大小，有時可能出現發電機工作狀態(即作負功)，這時反電勢E＞U(端電壓)，要產生泵升電壓，即電壓過高，造成濾波電容器過電壓、過電流、超溫升，以致擊穿，所以要防止和消除這個現象的產生。一般采用強烈能耗制動(適當減小制動電阻值，或提高電容器耐壓，以及耐溫，由85℃提高到105℃，或增大配置電容器的容量，比正常增大20% ～30%)，這對使用普通U/f型變頻器尤為重要(指單象限工作方式)，亦可選用具有能量回饋四象限工作的矢量變頻器，將多余的能量回饋到電網，這樣既解決上述問題，又可實現節電(一般可節電10% ～20%)。這是一種較為合適的方法。

(5)穩定可靠是首位。變頻器一般采用柜式，以適應工作環境差的要求，處于半露天工作環境，冬夏溫差可達50～60℃，對使用器件質量要求高，安全系數大，有一定冗余度，工頻變頻自動切換，加強通風散熱，制作工藝精良，測試要完全。

總之，抽油機上升或下降，恒速傳動方式既浪費電功率，又減少泵油量，經濟效果差，有待改進、改造，以變速智能控制是合適的方案。

2 常見各種節能方案的分析

(1)智能化的控制方案。

①大連市偉肯斯瑞特能源科技有限公司生產的WK-YT-CYJ型抽油機智能控制柜。功率22～55 kW，采用數字式控制器測量抽油機每個沖次的作功，按液面狀態相應連續調整油泵下行速度，通過檢測泵的工作轉矩判斷供液狀況而相應調整運行速度，避免過高的沖擊力矩產生事故，使實際功率與需要相匹配，并能將配重塊和井桿的位能轉化為動能，并自身釋放，達到均勻加、減速，因而無電流反饋電網，使電流大為減小，這樣泵效率提高，產油量提高，并有效節電≥30%。采用的液位傳感器是美國霍尼韋爾公司產品，基于反射原理工作，其反應速度快、可靠性高、經濟實惠，適用于較差的環境下工作。節態運行與原態運行的比較如圖1所示。

圖1 節態運行與原態運行的比較

②北京市祿智科技公司與清華大學共同研發的LOGINTEL抽油機節電器。通過智能化的控制手段令抽油機工作能力與油井負荷建立起優化匹配，能動態響應負荷變化，以便克服泵的低效和電能浪費，從而實現較大的節電幅度，并有平衡三相電壓，抑制諧波瞬時涌流對電網的影響，功率15～75 kW，選用單片機特制軟件技術，開發難度稍大。

(2)四象限能量回饋變頻器方案。

這是國內、外使用較多的方案。上下速度人為選定可調，約有20%的節電效果。功率匹配與泵效提高，未能做到最優化條件。要用四象限能量回饋變頻器，價位略高些，相當于普通變頻器的2倍價位。

(3)西門子有功率控制的G120主控板變頻器的方案。

一般能量回饋時無功率限制這個環節，所以往往要產生過壓、過流，這對濾波電容器很不利。若能在正轉到反轉轉折時有自動控制方式，使其功率為最小，這樣就可避免上述現象發生，亦不須用四象限變頻器進行能量回饋，即從變頻器電路源頭來解決問題，這是較為合理的、可靠性強的方式。但國內現在尚無產品。

(4)意大利意科公司速度跟蹤方案。

主導思路是上快下慢(如上40 Hz下30 Hz)、人為可調，加強制動轉矩。采用速度跟蹤方法，即當電壓U上升時使頻率上升，從而保持U/f=C不變，減少多余能量及過壓過流的產生。

(5)加拿大北方公司的電壓跟蹤方案。

當稠油時沖次要低，以提高泵的效率，上下沖次任意可調，有功率因數補償，采用放電電阻來消耗多余能量，并有能量回饋裝置實現電壓自動跟蹤，以達到最佳制動力矩的控制，起動轉矩要適當加大。

(6)深川公司(與日本合資)的動態調壓方案。

①對貧油井或老油井采用流量傳感器測流量，當小于經濟流量時實行停機或輕載時將電機繞組自動進行切換，以降低加于電機繞組上的相電壓來實施降壓節電的方式。

②當上行程或下行程有負荷變化時，及時測出送至變頻器輸入來即時調電壓，使其工作能力與實際相匹配達到節能目的，這就是動態調壓節能，節電約15% ～20%。

(7)采用永磁同步電機的方案。

當今國內絕大多數生產機械都用異步電機作為動力源，采用變頻器調速。國外從2000年開始已采用永磁同步電機來替代異步電機。原因如下:① 起動電流小;② 起動轉矩大;③ 功率因數高;④ 滑差=0;⑤ 結構簡單。從以上5點看，顯然優于異步電機，故使用量逐步在擴大，有替代的趨向，油田抽油機亦不例外。但目前永磁同步電機及調速控制器二者相加總價偏高，對這門新技術熟悉不夠，影響了使用的廣度。在油田曾做過試探，性能效果都很好，是件值得關注的事。為節省成本，試制時，永磁同步電機可由現有的異步電機改制［1］。

(8)采用多級功率繞組的異步電機。

一般電機是一級功率即額定功率，但是當采用多極繞組后，可以通過繞組的不同接法來改變加在繞組上的相電壓，從而改變輸出功率的大小，例如有PN、0.75PN、0.5PN，其中PN為額定功率。這種電機已有河南新鄉市豫通電機廠能生產，再配上負荷自動控制器可自動進行繞組的改接，來實現輸出功率的改變。

(9)輕載的△/Y自動切換節電方案。

一般18.5 kW以上的異步電機，在380 V電壓時是△接法，可輸出額定功率，當輕載時(如60%)，若用380 V全壓，顯然功率因數較低，成為大馬拉小車而浪費電能，這時可將電機繞組改為Y接法，即相電壓下降為220 V，給節電帶來好處，需用功率與之相匹配，這是最簡便的方法。目前，市場上有按負載電流大小(可人為設定)的△/Y自動切換節能節電器，亦可用在抽油機中，節電率雖小些，約10%，但因其結構簡單，成本較低(僅約1 000元)，而且沒有復雜的電路，調試容易，維護量小，有些場合還是可用的。相對于一套智能化的變頻節電裝置，它可以買8～10套。這樣，合起來的總節電量肯定比一套的大，有可取之處。

(10)模糊控制節電方案。

抽油機是個多變量、實時、工藝參數隨機變化的設備，上述9種節電方案有簡單的，亦有復雜的，都各有優點，亦有不足之處，比較理想的是智能化控制方案，對這樣的負載選用模糊控制是最為理想合適的，當然有一定的技術難度。隨著生產的需要，技術的提高，抽油機節電設備將會出現更新的方案。目前，油田抽油機的節電裝置使用率不到1/3，故市場潛力很廣闊。模糊控制節電方案目前正處于研究開發之中。

3 結語

抽油機量大，既是耗電大戶，又是節電重點。十幾年來各種節電方案層出不窮，各有利弊。油田可按上述介紹的10種方案，按生產的需要，經濟實力大小，工藝參數變化，技術力量狀況等進行合理選取。

［1］張選正，史步海.特種電動機調速控制技術及應用［M］.廣州:華南理工大學出版社，2010.