抽油機高壓節能控制裝置的研制與應用

李偉 馬強（遼河油田公司沈陽采油廠）

機械采油主要采用游梁式抽油機，其用電的特點是：在一定時期內設備負荷呈周期性變化，在一個工作周期內有一半時間設備都處于輕載狀態，而感性設備在欠負荷狀態下的無功損耗很大。井下載荷一般為5～15 t，為了滿足油井啟動轉矩的需要，電動機額定功率遠遠大于實際運行功率，造成“大馬拉小車”現象。由于負載的周期變化，使電動機的效率和功率因數周期變化，在一個運行周期內電動機大多運行在非經濟運行區，造成大量電能浪費。現有的用電系統采用6.6 kV/0.4 kV 電壓等級，存在設備額定電流大、容量大、線路損耗高等問題。

1 節能原理

將6.6 kV/0.4 kV 系統電壓等級提高到6.6 kV/1.14 kV 系統，根據P=I2R 可知，在R 保持不變情況下，提高電壓至1.14 kV，可使電流下降到原來的1/3，則各項損耗在滿負荷情況下可減少，即：ΔP%=（I/3）2R/I2R=1/9 ≈11% 。因此，可降低線損，同時也降低設備的空載損耗，達到節能目的[1]。

2 高壓節能控制裝置的研制

1.14 kV 抽油機智能拖動裝置主要由高轉矩多功率電動機、電動機智能控制柜、6.6 kV/1.14 kV 配電變壓器及1.14 kV 連接電纜組成。

2.1 高啟動轉矩多功率電動機

根據油井正常生產的功率、轉速、啟動轉矩等指標要求完成額定功率（即高功率檔）的電磁設計，用計算機繪制出從100%負載率（即額定功率）到空載的效率-功率因數曲線。考慮到抽油機啟動轉矩要求比較高，將電動機的啟動轉矩設計為比一般Y 系列普通三相異步電動機高1.5 倍。根據曲線，隨著功率的降低，效率和功率因數在75%負載率后將大幅度地下降，使電動機逐漸進入非經濟運行區。因此在65%～70%負載率區域內找出第一個功率切換點（即中功率檔），在此點引出一個電動機繞阻抽頭，形成中功率檔繞組，并以此為基準，在中功率繞組的65%～70%負載率區域內找出第二個功率切換點（即低功率檔）。通過設計高、中、低3 檔功率，根據負載率的情況適時切入相應功率的繞組，以提高系統的效率和功率因數[2]。

2.2 多功率電動機智能控制裝置

智能控制裝置是測量電動機負載，自動跟蹤負載變化，智能判斷和切換電動機輸出功率和負載匹配，并對各項運行參數實行保護的關鍵設備，主要包括數據測量及采集，數據處理及比較，控制電路設計、PLC 編程，直流電源設計，采樣元件及動力電路設計等技術。根據控制的多功率電動機的功率等級數、各檔功率值及電流值、各種保護要求，設計出動力電路、控制電路、測量電路并選用各種電氣元件。控制部分由直流電源、采樣元件集成（功率及電流測量專用芯片），根據控制的功率等級數選用PLC 編程器或PC。

表1 智能拖動裝置安裝前后數據統計

2.3 控制軟件的開發

根據電動機的使用情況，內置控制軟件主要具有以下功能：

1）邏輯判定條件的設定：根據高、中、低3檔功率值設定3 檔的額定電流值IH、IM、IL，此為數據比較及開始計時的基準值。

2）過載保護：以最高功率的額定電流IH為基準，大于1.2 IH持續30 s 則切斷電源；大于1.5 IH持續5 s 則切斷電源。

3）缺相保護：當三相電流中任何一相與三相平均值的偏差大于三相平均值的15%，持續30 s 則切斷電源。

4）短路保護：當負載電流達到1.8 IH持續1 s則切斷電源。

5）小電流漏電保護：漏電電流大于30 mA，持續1 s 則切斷電源。

2.4 控制過程

電動機每次啟動后，首先以高功率檔運行，測量單元開始工作，PLC 開始采集數據，并與內置三檔功率值的電流值進行比較，當負載電流I 等于或小于中功率電流值IM時開始計時，當I 持續等于或小于中功率電流值IM90 s 時，則切換至中功率。切換后若電流小于中功率值IM而大于低功率電流值IL，電動機持續運行，采樣繼續但不計時；若電流等于或小于低功率電流值IL，則計時開始，當I 持續等于或小于低功率電流值IL90 s 時，則切換至低功率。

由高到低逐級轉換，不允許越級轉換，避免出現過載。延時90 s 是為了避免偶然性波動，造成切換頻次高，降低接觸器壽命。

由低到高是直接切換至高功率，允許越級轉換，而且延時較短，主要從可靠性的角度出發，防止電動機發生過載。

無論是運行在中功率還是低功率，一旦電流值超過該功率檔設定電流值，并且持續30 s 則直接切換至高功率。如果符合過載條件則切斷電源。

3 應用情況

在沈陽油田采油三區安裝了200 套1.14 kV 抽油機智能拖動裝置，由于實現了高壓運行及自動跟蹤抽油機負載變化，自動切換電動機運行功率使其達到最佳的工作狀態，同時具有自動檢測設備運行工況，具有較高防盜竊的IP44 等級能力，因此具有較好的節能效果。以4 口井為例，根據油田節能測試報告，對安裝前后的數據進行了比對分析，見表1。

通過比對，發現4 口井的平均節電率為19.99%，功率因數大幅度提高，節電效果顯著。

4 結論

1）抽油機高壓節能控制裝置實現了高壓運行及自動跟蹤抽油機負載變化，自動切換電動機運行功率，使其達到最佳的工作狀態。

2）抽油機高壓節能控制裝置具有自動檢測設備運行工況和較高防盜竊的IP44 等級能力。

[1]李學炎.電動機與變壓器[M].北京:中國勞動社會保障出版社,2001:30-31.

[2]許實章.電動機學[M].北京:機械工業出版社,2001：21-23.