游梁式抽油機倒發電危害機理及治理方法研究

洪微微（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

隨著油田耗能持續增加，節能措施不斷涌現[1]，但現有的大多數節能措施只是針對電動機低負荷運行造成電能浪費的情況，而抽油機浪費電能的另一個重要原因是抽油機拖動電動機發電[2]，即倒發電。

1 抽油機倒發電危害機理

1.1 倒發電特性

在抽油機的能量消耗構成中，使井液上升所消耗的能量，抽油桿上升、下降與井壁井液的摩擦所消耗的能量，以及機械傳動摩擦所消耗的能量，都是抽油機工作時不可避免消耗的能量。抽油桿自重的升降所消耗的能量，從理論上可以減少到近乎為零，但實際使用中卻不是這樣。抽油機的動力是交流電動機，它具有“強”的恒轉矩特性。當交流電動機轉子的轉速超過電動機同步轉速時，曲柄凈轉矩為負[3]（圖1），抽油機將拖動電動機運行，電動機處于發電狀態向電網送電。在實際測試抽油機功率曲線（圖2）中發現，抽油機井中交流電動機倒發電現象非常普遍，這也是造成抽油機地面系統效率不高的一個主要因素。

1.2 浪費電能機理

1.2.1 能量浪費

從能量轉換的角度考慮，取于電網的電能由電動機轉換為機械能，傳送給抽油機，設此時轉換效率為η1。當減速箱輸入軸的轉速大于電動機對它的驅動速度時，抽油機將一部分能量傳送給電動機，由電動機再將這部分能量轉換為電能反饋于電網，設此時的轉換效率為η2。整個電能—機械能—電能轉換過程的總效率η0=η1·η2，則整個轉換過程有很大一部分能量被浪費掉[2]。

圖1 抽油機井轉矩特性曲線

圖2 抽油機井電功率曲線

1.2.2 污染電網

由于電動機倒發電導致電動機轉速不穩定，其所發電的相位及頻率都不能達到電網的電能質量要求，從而會污染電網，造成電網供電不穩，對電動機運行產生不良影響，甚至損壞電動機，影響油田生產[4]。

2 消除倒發電現象技術方法

解決倒發電問題的方法有許多，總結近些年現場大量應用的節能產品的特性，主要有兩類方法可以有效消除倒發電現象：通過控制曲柄速度，消除曲柄負轉矩來避免發生倒發電現象；通過電動機做負功時的機械瞬態分離，消除動力反傳來杜絕倒發電現象的發生。

2.1 速度控制技術

由倒發電產生特性可知，抑制或消除倒發電現象可通過減小或平衡電動機與曲柄轉速的速度差的方式。目前最便捷的方式是提高電動機端的轉速，保持電動機在超過同步轉速時與曲柄轉速同步，如變頻控制[5]、斷續供電[6]及索式柔性控制技術等，其中效果最明顯的是索式柔性控制技術。各項技術的對比見表1。

2.1.1 柔性控制技術原理

運用運動狀態傳感器調控電動機在曲柄不同位置的速度與功率以及光桿在不同位置的速度與加速度，避免下行速度過快導致抽油機拖動電動機運行，通過實時調整電動機轉速，改變抽油機的剛性拖動，使其功率變化平穩，從而避免倒發電現象。

2.1.2 節能效果

全廠累計實施109口井，其中老區節能技術改造94口，新投產井15口。從現場測試情況可以看出，措施后平均單井有功功率下降了0.85 kW，無功功率下降了9.49 kvar，有功節電率達到12.18%，綜合節電率達到15.26%，系統效率提高了4.66個百分點，節能效果較為顯著。采用柔性控制技術后效果對比見表2。

2.1.3 單井應用實例

以L6-2200井為例，根據現場測試情況分析可知，柔性技術控制狀態下設備運行更為平穩。從一個沖程范圍內有功功率的波動情況可以看出，工頻狀態下有功功率的波動范圍從-4 kW到12 kW，波動幅度為16 kW，特別是工頻狀態下產生的負功功率對電網具有較大的污染，同時對機、桿、泵都有較大的沖擊，將嚴重影響機械設備的使用壽命；柔性控制狀態下功率波動幅度較小，僅為8.5 kW，功率運行較為平穩，同時消除了負功功率，避免了電網污染，既實現了節能又有益于設備使用。L6-2200井在工頻狀態及柔性狀態下一個沖程（取12個點）的有功曲線見圖3及圖4。

圖3 L6-2200井工頻狀態下一個沖程的有功曲線

圖4 L6-2200井柔性狀態下一個沖程的有功曲線

2.2 超越離合技術

采用只能單方向傳輸動力的機械機構，安裝在游梁式抽油機的傳動系統中，使電動機只能單向傳遞轉矩，就像自行車的飛輪一樣。當抽油機運行到下沖程中后期，電動機即將產生負轉矩的瞬間，超越離合器內部的棘輪結構可實現脫開，完成瞬態超越，使抽油機的動力傳送系統變為單向動力傳動，動力傳不過去，油桿下降的能量只能轉化為平衡塊的機械能[4]。這時電動機相當于空載運行，抽油機無法反拖電動機發電，消除了負功，杜絕了倒發電現象，同時提高了電動機和皮帶的傳動效率，可達到提高系統效率及節能的目的。

表1 速度控制技術對比

表2 柔性控制技術效果對比統計

表3 超越離合器效果對比統計

圖5 安裝前功率曲線

2.2.1 節能效果

全廠累計實施131口井。從現場測試情況可以看出，實施措施后平均單井有功功率下降了1.13 kW，有功節電率達到8.16%，綜合節電率達到10.13%，系統效率提高了5.83個百分點，節能效果較為顯著。安裝超越離合器前、后的效果對比見表3。

2.2.2 單井應用實例

以L5-2414井為例，從功率與電流曲線看，峰值功率由55.10 kW下降到52.40 kW，下降了2.7 kW，消除了負轉矩，具有明顯超越效果，抑制了電動機倒發電現象。安裝超越離合器前、后的功率曲線見圖5及圖6。

3 結論

1）實施柔性控制技術后電動機運行功率平緩，消減了峰值轉矩，同時消除了工頻狀態下產生的負功功率，既實現了節能降耗，又避免了負功功率對電網的污染。

圖6 安裝后功率曲線

2）超越離合技術改變了抽油機原本的傳動原理，通過單向轉矩傳送，解決了電動機倒發電的問題，徹底消除了負功，有效提高電動機的傳動效率，實現了節能降耗。

3）抽油機運用速度控制技術和超越離合技術，均可以有效消除倒發電現象，同時降低了抽油機有功及無功功率，提高了系統效率，實現了節能目的。