抽油機節能裝置研究及應用

武偉偉黃毅王斌斌（.河南恩耐基電力技術有限公司；.沈陽華巖電力技術有限公司）

抽油機節能裝置研究及應用

武偉偉1黃毅2王斌斌1
（1.河南恩耐基電力技術有限公司；2.沈陽華巖電力技術有限公司）

游梁式抽油機是我國油田開采主要設備之一，運行過程中電能利用率低，自動化運行程度不高，且抽油機“大馬拉小車”現象嚴重，造成線路損耗高、線路壓降高，油田供電質量低。抽油機六合一節能裝置能夠實現抽油機實時轉速控制、再生能量高效回饋電網、實時精確補償無功及遠程控制、諧波治理、最優控制等功能。在不影響產油量的情況下提高抽油機運行效率、降低采油成本。在油田進行了現場運行及節能效果測試，能夠有效穩定末端電壓，提升油田供電電能質量，并且節能效果顯著。

抽油機 節能裝置 試驗 供電質量 節能

我國油田多采用游梁式抽油機有桿泵方式采油，因運行工況和啟動需求，配置電動機時功率往往偏大，造成油田采油設備“大馬拉小車”現象非常嚴重。功率因數低，電能的浪費也很嚴重[1]。如何改進油田抽油機運行方式，提高油田采油電能利用效率，提高油田電網運行穩定性及供電質量和自動化水平，顯得尤為重要。

1 系統設計

1.1 原理

抽油機專用六合一節能裝置利用先進的電力電子技術和電力電子器件，通過多種試驗實現抽油機實時轉速控制、再生能量高效回饋電網、實時精確補償無功及遠程控制、諧波治理、最優控制等功能。在不影響產油量的情況下提高抽油機運行效率、降低采油成本，并且有效提高油田電網供電質量。

六合一節能裝置中主回路原理如圖1所示，由電網側交直三相全控整流變換器和負載側直交三相電壓逆變器組成。

六合一節能裝置控制系統采用TI德州儀器DSP控制芯片TMS320 F28335，外置AD7656采樣芯片，采集電網及抽油機電動機運行電流信號、流過裝置的電流信號及裝置內部直流母線電壓信號，通過優異的瞬時無功理論及空間矢量算法實時計算出有功功率、無功功率、諧波電流等電力參數，控制IGBT開關通斷，實現四象限變頻轉速控制、再生能量高效回饋電網、精確補償無功等功能。電網側交直三相全控整流變換器采用PWM控制技術，實現網側功率因數可調，一般設定為單位功率因數1運行；實現了能量雙向流動高效回饋電網，可有效避免抽油機運行過程中處于再生制動狀態時產生的能量過高，導致泵升電壓損壞裝置內開關器件和直流電容等現象，提高了裝置的運行穩定性。

圖1 六合一節能裝置

電網側交直三相全控整流變換器主要為三相電壓型PWM整流器。采用直接電流控制策略實現PWM整流器直接對其各功率開關器件IGBT進行實時開斷控制，開關頻率可設定在5～15 kHz之間，從而使網側輸入電流正弦化；直接控制其輸出電流幅值和相位，通常控制與系統電壓相位相同，即實現單位功率因數1運行方式。由于開關頻率高，輸出電流平滑性好，裝置與電網交換電流只含開關頻率相關的高次諧波分量，容易在裝置內部濾除，不污染電網系統[2]，對電網和其他用電設備不產生諧波污染，從而提高了電網的供電質量，減少對電網的公害。負載側直交三相電壓逆變器與電網側交直三相全控整流變換器基本相同，在結構上完全對稱，提高了設備運行穩定性。

1.2 功能特點

本結構主要特點如下：

1）抽油機通過六合一節能裝置接至電網，電網側交直三相全控整流變換器可以實時控制裝置的運行功率因數，即相當于1臺精致無功補償裝置STATCOM（又稱SVG），起到無功補償器的作用。一般采取控制功率因數在單位功率因數1的運行控制方式。

2）當電動機通過抽油機六合一節能裝置進行調速運行時，電動機處于發電狀態時產生的再生能量在實時PWM脈沖控制下，能夠將能量高功率因數回饋到交流電網中，完成能量的雙向流動。

3）裝置電網側交直三相全控整流變換器的直流母線電壓可控并穩定，其穩定值不受電網電壓波動的影響，可以為負載側直交三相電壓逆變器提供穩定的直流電壓源，從而輸出穩定的逆變交流電壓，避免輸出電壓受電網電壓波動影響引起電動機運行問題。

4）抽油機六合一節能裝置中電網側交直三相全控整流變換器和負載側直交三相電壓逆變器采取完全獨立的控制方案，方便實現群井狀態下公用直流母線的控制。即1臺集中大功率電網側交直三相全控整流變換器提供穩定的直流支撐環節，若干臺小的負載側直交三相電壓逆變器連接抽油機，從而實現“一拖多”運行，實現裝置的性能優化，降低成本。

1.3 遠程監控系統

抽油機六合一節能裝置在節能的基礎上與數字化油田完美銜接。該系統建立在抽油機現場控制單元、通訊網絡、采油廠管理平臺上，結合油田管理系統，運用無線通訊技術將采油廠管理平臺與抽油機現場進行對接和數據的傳遞，實現數字控制與信息管理。六合一節能裝置監控系統架構如圖2所示。六合一節能裝置監控系統基于無線通訊、GSM網絡和3G網絡，構建全覆蓋的數據采集、設備控制、音視頻監控同步通訊系統結構，根據現場情況選擇合適的通訊模式，實現遠程監控。

圖2 六合一節能裝置監控系統架構

2 試驗效果分析

為了驗證裝置的實際效果，制作了1臺樣機，在河南某油田進行了裝機測試和實際運行，并對裝置運行情況及技能效果進行了測試。現場運行裝置如圖3所示，測試數據見表1。其中，抽油機未運行前電網線電壓平均值為349.8 V。

圖3 現場運行裝置

為了測定節能效果，根據《三相異步電動機經濟運行》（GB/T12497—2006）規定，無功下降的效益用無功當量表示。測試結果取無功經濟當量為0.03 kW/kvar。可計算出在相同產液量的前提下，節能效果達34.9%，節能效果理想，有效提升了油田采油設備能源利用率。

現場測試數據表明，抽油機直接工頻運行時，功率因數低，測試時間段內平均功率因數為0.462，抽油機運行過程中所需無功功率大，造成油田輸電線路和油田配電變壓器損耗大，從而引起輸配電設備上的電壓降，導致末端電壓低，在340 V左右，嚴重影響抽油機正常運行及油田電網供電質量。當抽油機接六合一節能裝置上電運行時，測試時間段內平均功率因數達到0.98以上，實時功率因數高于0.97，有效降低了無功功率在線路上及變壓器上的損耗，末端電壓有效提高；在351 V左右，提升電壓10 V左右，降低了損耗，提高了油田供電質量。通過六合一節能系統帶動抽油機運行，與電網交換的交流電流有效值也大大降低，降低率達67.5%。從工頻運行時36 A左右下降為抽油機六合一系統運行時12 A左右，無功功率基本降低為0，效果明顯。

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.004.016

武偉偉，工程師，2012年畢業于華中科技大學，碩士，電力系統及其自動化專業，研究方向為大型電力電子技術在電力系統中的應用，E-mail：18838230718@163.com，地址：河南省鄭州市惠濟區文化路開元路動漫大廈C區1樓河南恩耐基電氣有限公司，450045。