抽油機節能裝置研究

武偉偉 王斌斌（河南費曼電力技術有限公司）

引言

游梁式抽油機是目前油田生產中的主要設備，載荷過低現象比較嚴重，功率因數低，電能的浪費也很嚴重[1]。節能、增效、增產、降耗，提高油田電網運行的穩定性和降低電網線路上的損耗顯得更為重要。

目前，國內外對抽油機的節能和控制的研究集中于改變控制電動機的運行方式和研制新型節能型抽油機兩個方面[2]。但變頻調速技術并沒有在抽油機節能方面取得很好的實際應用，根本原因是目前應用在抽油機方面的變頻節能裝置為通用的變頻器，采用通用變頻模塊組裝而成的變頻控制柜，整流環節采用不可控二極管整流電路，電能只能單向流動，抽油機處于發電狀態時產生的回饋電能不能流向電網，致使回饋時在直流母線電容上產生很高泵生電壓，極易燒壞變頻設備[3]。另外，二極管整流時輸入電流諧波大，諧波流向電網造成諧波污染，影響線路設備的利用率。

為此，設計了一種油田抽油機專用節能控制裝置，實現電動機四象限運行、單位功率因數運行且可調、能量高效回饋，變頻輸出電壓穩定，提高了裝置運行的穩定性和可靠性。

1 硬件系統設計

如圖1所示，其主回路由三相可控整流組成的網側變換器和三相逆變器組成的機側變換器兩部分構成。網側變換器主要組件包括電抗器、高頻濾波電容、全控整流電路和直流電容。抽油機節能裝置控制系統的控制芯片采用TMS320F28335芯片，采樣芯片采用16位高精度AD7656芯片，電壓互感器、電流互感器的二次信號經過采樣調理電路處理后送至DSPTMS320F28335快速計算，輸出脈沖控制信號至IGBT驅動端進行實時控制。

2 MATLAB仿真分析

為驗證本設計的可行性并為裝置研制過程進行理論指導，進行了MATLAB電子仿真。網側變換器采取SVPWM調制方式，采用瞬時無功算法及解耦控制策略，將無功分量目標值設定為0；機側變換器采用恒壓頻比開環控制策略。裝置仿真結構見圖2。負載模型為三相異步電動機，參數設置：額定電壓為0.38kV，極對數為2，額定頻率為50Hz，額定功率為18.5kW。

裝置輸入側電壓和電流波形見圖3。圖3中粉色虛線波形為電網相電壓波形，綠色實線為裝置運行時從電網吸收的相電流波形。由圖3可知，電網電壓相位和裝置運行電流相位基本重合，相位角度差很小，可忽略，即功率因數接近于單位功率因數。

圖1 抽油機節能裝置原理

圖2 系統仿真結構

圖3 網側交流電壓和電流波形

電動機負載狀態突增、突減及切除的瞬間裝置直流電壓和裝置輸出電流的仿真波形見圖4，其中變量采用標幺值。圖4中黑色波形為直流電壓波形，粉色波形為輸出電流波形。圖4（a）為負荷突增波形，突增負荷瞬間直流波形僅有很小的波動，且很快恢復正常；圖4（b）為負荷突降時直流電壓和交流電流波形，負荷突降瞬間直流電壓穩定無波動；圖4（c）為負荷突然切除波形，切除瞬間及切除后直流電壓波形穩定。由圖4可知，在負荷突然變化時瞬間直流電壓基本保持不變，充分說明本控制方案能提供穩定的直流電壓，為機側變換器的高效率運行提供基礎。

3 試驗研究

在設計理論指導下，制作了設備樣機，并在樣機基礎上編制了實時控制軟件，進行現場運行試驗。

設備拖動抽油機帶載運行時上沖程階段波形，電網交流線電壓和裝置相電流及裝置內部直流電壓的波形如圖5所示；抽油機處于下沖程階段即發電狀態時，電網線電壓和裝置相電流及裝置內部直流電壓的波形如圖6所示。圖5波形顯示了相電流相位滯后電網交流線電壓相位1.8ms左右，即30°左右；因線電壓相位超前相電壓30°，因此相電壓和相電流相位基本相同，實現了單位功率因數下運行，降低甚至消除無功功率對電網線路和設備產生的影響。

圖4 負載突變電壓電流波形

圖5 穩定運行時網側電壓和電流波形

由圖6可知，在回饋時電流相位超前線電壓150°，電流相位和相電壓相位反相，電能以單位功率因數高效回饋，實現了四象限和單位功率因數下運行，在整個運行過程中和電網系統基本不產生無功交換。

裝置負載突然切除時交流輸入電流波形和裝置內直流電壓波形見圖7。由圖7可知，負載切除瞬間直流電壓保持穩定，輸出功率能夠迅速跟蹤負載變化。

圖6 回饋狀態波形

圖7 突然切除負載變化波形

4 節能效果分析

在32號井和43號井上安裝了抽油機節能裝置，并進行了現場測試（表1）。應用此裝置前三相線電壓平均值為351V。

由表1可知，抽油機直接連接電網運行時，2口井功率因數都非常低，32號井功率因數只有0.462左右，43號井功率因數0.414左右。因功率因數很低，運行時產生大量無功功率，無功功率在電網線路上產生較高的電壓降，末端電壓在342V左右，較電網電壓下降10V，嚴重影響供電質量。當抽油機通過節能裝置運行時，功率因數超過0.98，電網電壓無下降，從而有利于提高電網的供電質量。電網側的交流電流有效值也大幅度降低，其中32號井的電流由35.7A下降為11.57A，43號井從26.5A下降為8.1A，功率因數大幅度提高。

表1 現場測試數據

根據GB/T12497—2006《三相異步電動機經濟運行》規定，無功功率下降的效益用無功當量表示，取0.03kW/kvar。32號井時節電量為4.228kWh，43號井時節電量為2.45kWh。按照每天工作24h，年工作330d計算，32號井年節電量為3.35×104kWh，43號井年節電量為1.94×104kWh。

5 結論

通過理論分析仿真及現場試驗，驗證了本設計的可行性。應用抽油機節能裝置有效地提高了功率因數，降低了能量消耗，穩定了末端電壓，提高了線路的輸電能力和變壓器的運行效率，并且在負荷突然變化時裝置能夠快速反應，保持運行穩定。現場實測數據證實該裝置能夠有效提高系統運行效率，節能效果顯著，適合在油田推廣使用。

[1]金峰.抽油機節能研究[J].油氣田地面工程，1998，17（5）：1-4.

[2]張繼展，馬廣杰，孫景麗，等.游梁抽油機的用電發電與節電[J].石油礦場機械，2001，30（4）：36-38.

[3]李敏，崔愛玉，寧剛，等.抽油機節能技術的探討[J].油氣地面工程，2002，21（4）：116-117.

[4]冷海濱.雙PWM矢量控制變頻調速系統的研究[D].南寧：廣西大學，2006.

[5]陳小麗.高功率因數雙PWM變頻調速系統的研究[D].南寧：廣西大學，2005.