油田抽油機智能節(jié)電器的設(shè)計與應(yīng)用

陳 曉，王 偉，劉紅強

（華北油田科達開發(fā)有限公司，河北任丘062552）

1 引言

據(jù)資料顯示，中國電力消耗量僅次于美國，位居世界第二位，節(jié)能節(jié)電意識的淡薄造成了很大的資源浪費和財產(chǎn)損失。而中國噸油成本是國外噸油成本的數(shù)倍。盡可能地節(jié)能增效，同國際水平接軌，這是中國石油工業(yè)的必然趨勢。在噸油成本中，電費支出約占生產(chǎn)成本的三分之一，而且隨著油田的進一步開采，在穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)上，節(jié)能、增效、增產(chǎn)、降耗，顯得更為重要。抽油機作為油田最基本的設(shè)備，其節(jié)能降耗顯得更有意義。以下重點分析油田抽油機智能節(jié)電器的設(shè)計與應(yīng)用。

在石油工業(yè)中，油田開采一般要經(jīng)歷三個階段：第一階段，依靠油藏的自然能量將油層原油舉升到地面上來；第二階段，依靠人工能量將原油從油層中舉升到地面（如機械舉升或油田注水）；第三階段，通過三次采油等非常規(guī)技術(shù)手段將殘留在油藏中的原油置換出來。

目前油田使用的變頻裝置采用的一般是國外品牌，價格高、操作復(fù)雜，大力推廣國產(chǎn)品牌、民族品牌，具有很強的社會經(jīng)濟意義。從國內(nèi)外對比來看，國外抽油機電機已大量采用變頻節(jié)能裝置，節(jié)能效果顯著，國內(nèi)在此方面還處于落后地步，國家“十二五”規(guī)劃中明確了變頻技術(shù)改造的必要性和重要性，抽油機電機變頻節(jié)能改造將迅速開展。本項目的抽油機電機變頻節(jié)能系統(tǒng)技術(shù)先進，性能可靠，對各種油井適應(yīng)性強，成本比國外產(chǎn)品大幅度降低，在油田大量推廣具有很大的優(yōu)越性，市場前景極為廣闊。

2 常用電機節(jié)電產(chǎn)品的種類及優(yōu)缺點

2.1 變頻器

（1）工作原理

通過改變輸出頻率來改變電機轉(zhuǎn)速，降低給電機的端電壓從而降低電機的有功功率，大幅度節(jié)省電能。利用壓力、流量等傳感器來實現(xiàn)實時監(jiān)控，通過泄載和反鎖等形式來解決反電勢問題。

（2）優(yōu)點

節(jié)電率高；監(jiān)測反鎖速度快。

（3）缺點

故障率高，不能實現(xiàn)野外長期穩(wěn)定的運行；由于降低了電機的轉(zhuǎn)速，從而會影響原油產(chǎn)量；污染嚴(yán)重，對電網(wǎng)不利，由于高頻載波達1MHz 以上，使電機產(chǎn)生高頻嘯叫，電機發(fā)熱，從而會降低電機工作壽命。

2.2 自耦降壓器

（1）工作原理

通過多抽頭變壓器、PLC、接觸器等元器件組成自動電壓跟蹤系統(tǒng)，在上行時給電機80%－95%的端電壓，在下行時通過PLC 控制來調(diào)節(jié)變壓器抽頭從而給電機10%－15%的端電壓，通過周期降壓來減小電機的實際有功功率，從而達到節(jié)能的目的。

（2）優(yōu)點

有功節(jié)電率可達10%－15%；成本低。

（3）缺點

工作不穩(wěn)定，由于抽頭的頻繁變化使相關(guān)的電氣元件一直工作在開合狀態(tài)，頻繁承受大電流的沖擊，易損；由于電機頻繁承受階梯電壓的沖擊，易損壞；適用性差。

2.3 電容補償

（1）工作原理

通過電機的就地補償來提高電機的功率因數(shù)，提高電網(wǎng)的利用率。

（2）優(yōu)點

簡單、成本低，能相應(yīng)提高電網(wǎng)的利用率。

（3）缺點

不能減小有功損耗，從而達不到有功省電的目的。

3 抽油機智能節(jié)電器技術(shù)分析

3.1 組成

抽油機智能節(jié)電器由檢測元件、傳感器、芯片、可控硅調(diào)節(jié)單元和箱體等組成。其控制流程為：檢測元件（檢測相位差）→傳感器→芯片（接收和發(fā)出指令）→可控硅（反饋電壓）→電動機。該節(jié)電器原理框圖如圖1所示。

圖1 智能控制原理

3.2 節(jié)電原理

由于抽油機運行時的平均功率因數(shù)約0.3，1 臺45kW 電動機運行時的平均功率一般不超過10kW，電動機效率很低、無功損耗大，因此通過提高功率因數(shù)，降低無功損耗，提高電動機運行效率是可行的。提高電動機運行時的功率因數(shù)及運行效率可通過實時檢測功率因數(shù)、控制電動機運行電壓、提高運行效率來實現(xiàn)。可控硅具有交流電壓導(dǎo)通角可控的功能，因此采用可控硅為執(zhí)行元件，實現(xiàn)電動機電壓的可控、可調(diào)，進而實現(xiàn)節(jié)能目的。

智能節(jié)電控制器通過檢測元件對電動機運行時電流與電壓的相位差進行檢測，從而計算出電動機的功率因數(shù)，由功率因數(shù)的大小來判斷電動機的最佳工作電壓。功率因數(shù)低，說明載荷小，電動機負載率低，可通過單片機控制可控硅的導(dǎo)通角，提供電動機合適的運行電壓，降低電動機自身損耗（包括銅損、鐵損），避免了原來“大馬拉小車”的浪費現(xiàn)象，同時也可以保證電動機提供足夠的輸出轉(zhuǎn)矩，可以進行實時快速的動態(tài)調(diào)節(jié)，最大限度地減少輕載時的電能浪費，保證重載時提供給電動機充足能量。

圖2 電機啟動扭矩

表1 抽油機智能節(jié)電器在HD012 井的使用效果（2013年）（工作電壓380V，45kW 電機，沖次2.7min－1）

控制可控硅在每個供電半弦波的開關(guān)，便可控制通過可控硅的電流。當(dāng)啟動電流越接近弦波的尾端時，所容許通過的電流越小，但當(dāng)啟動電流越接近弦波的開端時，所容許通過的電流則較大。根據(jù)上述原理，將2 個可控硅以反平行方向連接，將每個半弦波的起動點延遲，然后將延遲時間逐漸遞減，使供給電動機的電壓由較少的數(shù)值增至最大。由于電動機扭力和供電電壓的開方成正比，因此可使啟動扭力以無級方式運轉(zhuǎn)，確保電動機及其負荷可緩沖地啟動。

4 抽油機智能節(jié)電器的現(xiàn)場應(yīng)用及分析

抽油機用新型智能節(jié)電器于2014年在山西煤層氣分公司鄭莊區(qū)塊油井上 進行了試驗，并進行了現(xiàn)場跟蹤調(diào)查統(tǒng)計。HD011 井3 個測試周期的綜合節(jié)電率分別為36.79%、37.29%、37.34%；HD013井3 個測試周期的綜合節(jié)電率分別為44.63%、45.23%、44.78%。表一是在HD012 井的測試結(jié)果。

5 結(jié)束語

通過對某區(qū)HD011、HD012 和HD013 三口井的對比試驗，抽油機用新型智能節(jié)電器綜合節(jié)電率高，節(jié)電效果顯著，性能穩(wěn)定，能實現(xiàn)電機的過流、過壓、短路、斷相、過載等多重保護，使電機工作更穩(wěn)定，安裝方便，能在野外長期工作，值得大規(guī)模推廣應(yīng)用。

抽油機智能節(jié)電控制器成功研制與應(yīng)用，解決了油田抽油機高能耗問題，延長了抽油機的使用壽命，具有廣泛的使用價值和推廣應(yīng)用價值。

［1］左玉忠.抽油機智能節(jié)電器的研制及應(yīng)用［J］.石油機械，2006，7：40－41、87.

［2］李中增，張國波，左玉忠，葉宏儒.抽油機用新型智能節(jié)電器的原理及應(yīng)用［J］.石油礦場機械，2006，6：87－89.

［3］陸 濤，藍 藍.油田抽油機智能節(jié)電器的研制及應(yīng)用［J］.才智，2012，17：56.