幾種抽油機節(jié)能裝置節(jié)能效果及性能比較367

1、幾種抽油機節(jié)能裝置節(jié)能效果及性能比較一、概述自從多年前，以燃燒石油制品為動力的機器誕生以來，對石油的需求量飛速增長，也為石油工業(yè)的發(fā)展提供了契機。隨著采油業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生了被廣泛使用的油井舉升設(shè)備一一抽油機。抽油機的種類繁多，技術(shù)發(fā)明有數(shù)百種。從采油方式上可分為兩類，即有桿類采油設(shè)備和無桿類采油設(shè)備。有桿類采油設(shè)備又可分為抽油桿往復(fù)運動類（國內(nèi)外大量使用的游梁式抽油機和無游梁式抽油機）和旋轉(zhuǎn)運動類（如電動潛油螺桿泵）。無桿類采油設(shè)備也可分為電動潛油離心泵，液壓驅(qū)動類（如水力活塞泵）和氣舉采油設(shè)備。我國的油田不像中東的油田那樣有很強的自噴能力，多為低滲透的低能、低產(chǎn)油田，大部分油田要靠注水壓油入井

2、，再用抽油機把油從地層中提升上來。以水換油或者以電換油是我國油田的現(xiàn)實，因而，電費在我國的石油開采成本中占了相當(dāng)大的比例，所以，石油行業(yè)十分重視節(jié)約電能。目前，我國抽油機的保有量在萬臺以上，電動機裝機總?cè)萘吭?，每年耗電量逾百億。抽油機的運行效率特別低，在我國平均效率為,而國外平均水平為,年節(jié)能潛力可達幾十億-O除了抽油機之外，油田還有大量的注水泵、輸油泵和潛油泵等設(shè)備，總耗電量超過油田總用電量的,可見，石油行業(yè)也是推廣電機系統(tǒng)節(jié)能”的重點行業(yè)。抽油機節(jié)能包括節(jié)能型抽油機和抽油機節(jié)能電控裝置的研制與推廣兩個方面，對此兩大技術(shù)的研究方興未艾。介紹和宣傳的文章很多，眾說紛紜，莫衷一是。廠家的產(chǎn)品性能

3、介紹亦有生婆賣瓜”之嫌。因此，有必要將目前常見的幾種類型的抽油機節(jié)能電控裝置作一個科學(xué)的分析比較，以供用戶選用時參考。在全國各油田進行試驗或已投運的節(jié)能電控裝置不下數(shù)十種之多，大體上可以分為以下幾個類型，下面分別加以討論。二、間抽控制器由于抽油機是按照油井最大化的抽取量來進行選擇的，并且還留有設(shè)計余量。另外，隨著油井由淺入深的抽取，井中液面逐漸下降，泵的充滿度越來越不足，直到最后發(fā)生空抽的現(xiàn)象，如果不加以控制，就會白白地浪費大量的電能。對于這種油井，最簡單的方法是實行間抽，即當(dāng)油井出液量不足或發(fā)生空抽時，就關(guān)閉抽油機，等待井下液量的蓄積，當(dāng)液面超過一定深度時，再開啟抽油機，這樣就提高了抽油機的

4、工作效率，避免了大量的電能浪費。間抽控制的原始做法是派人定時到油井去開停抽油機，即使在發(fā)達國家，目前也還有不少油井采用這種人工控制方式，以便解決抽油機的低效和浪費問題。這種做法每天要派人去井場操作好幾次，經(jīng)過長期試驗才能摸索出適合各油井的間抽規(guī)律，費工費時。于是就引入了定時鐘，只須設(shè)定開、停機時間，便能自動地進行間抽控制，但是，這仍然無法解決令抽油機的業(yè)務(wù)水平動態(tài)地響應(yīng)油井負荷的變化，以達到最佳的節(jié)能效果，同時，還有可能會影響油井的產(chǎn)量。為了解決上述問題，通過安裝相關(guān)的傳感器，精確感知油井負荷的動態(tài)變化，實現(xiàn)智能間抽控制。為此，可采用各種不同的傳感器達到控制目的，下面分別予以介紹。液面探測器：

5、如果能直接測出井中的液面，那么就可以用它來控制抽油機的運行。當(dāng)液面高度超過泵時，就啟動抽油機。當(dāng)液面降到泵的吸入口處時，就關(guān)閉抽油機，避免空抽的發(fā)生。早期的方法是使用永久式的井下壓力傳感器來檢測液面，現(xiàn)代則是利用聲波裝置從地面上自動監(jiān)測井下液面深度，但是，由于裝置復(fù)雜，維修費用高而沒有得到普及。流量傳感器：在井口通過流量傳感器檢測油井的出液量，是實現(xiàn)抽油機控制最直接，也是最有效的方法。但是，由于國內(nèi)的油井產(chǎn)量太低，有些油井的產(chǎn)量每天只有幾，甚至不足，合。這么小的流量檢測，對于各種類型的流量傳感器來講都是一個難題，再加上井中采出的油液中含有大量的泥沙和蠟塊，經(jīng)常會發(fā)生堵塞現(xiàn)象，因而也未能獲得推廣

6、應(yīng)用。電流傳感器：應(yīng)當(dāng)說，電機電流的檢測是最方便、最可靠，也是最為廉價的方法。當(dāng)發(fā)生空抽時，下沖程開始時游動閥并沒有打開，光桿載荷為桿柱重量及游動閥上部液柱的重量之和，可平衡掉大部分的配重的重量，電動機只要用很小的能量就可將桿柱送入井底，電機電流較小。當(dāng)油井中泵的充滿度較高時，下沖程開始不久，游動閥即打開，泵中液面托住了游動閥上部的液柱重量，并且使抽油桿柱也浸沒在液體中，因而光桿載荷只是桿柱在液體中的浮重，這也就意味著電機將用較大的能量來舉起曲柄或游梁尾部的平衡塊的重量才能將桿柱送入井底，因而電流就較大。抽油桿載荷傳感器：普遍采用的方法是通過特制的傳感器，對抽油機的光桿載荷進行檢測，因為光桿載

7、荷是井下泵運行情況的最好監(jiān)視器，并且它不受平衡配重的影響。泵的充盈系數(shù)（包括空抽）通過對抽油桿載荷的分析可以很容易地被檢測出來。另外，更重要的是抽油桿載荷數(shù)據(jù)，加上抽油桿位置的信息，正是分析井下工況的示功圖”的必備數(shù)據(jù)，利用這些信息可對抽油機的運行情況進行全面的分析。在光桿或游梁上安裝測力傳感器可以測出抽油桿的載荷數(shù)據(jù)。光桿測力傳感器比較準(zhǔn)確，但易于損壞。安裝在游梁上的傳感器準(zhǔn)確度比較低，但比較耐用。三、電動機星三角轉(zhuǎn)換節(jié)能由于抽油機的功率檔次有限，而每一口油井的參數(shù)都不一樣，在選配抽油機時，不可能做到量體裁衣，剛好和抽油機的功率檔次相匹配，一般留有一定的功率裕量。各型抽油機在配用電動機時，為

8、了保證抽油機在各種工況下正常運行，也留有一定的功率余量。隨著油井由淺入深的抽取，油井的產(chǎn)液量越來越少，抽油機的負荷也相應(yīng)減小。由于上述原因，就造成了抽油機的實際負載率普遍偏低，大部分抽油機的負載率在%之間，最高也不會超過,形成大馬拉小車的現(xiàn)象。而當(dāng)電動機處于輕載運行時，其效率和功率因數(shù)都較低，此時若適當(dāng)調(diào)節(jié)電動機定子的端電壓，使之與電動機的負載率合理匹配，這樣就降低了電動機的勵磁電流，從而降低電動機的鐵耗和從電網(wǎng)吸收的無功功率，可以提高電動機的運行效率和功率因數(shù)，達到節(jié)能的目的。由于低壓電動機在正常工作時，定子三相繞組是接法，這樣每相繞組承受的線電壓，電動機可產(chǎn)生額定的輸出機械功率。電動機的轉(zhuǎn)

9、矩是與電壓的平方成正比的，當(dāng)電動機輕載（負載率<%）時，可以將電動機的繞組由接法改成接法，使每相繞組只承受的電壓，電動機的轉(zhuǎn)矩也就僅為額定轉(zhuǎn)矩的。當(dāng)負載率>%時，再將電動機繞組改為接法運行，否則，會因電流過大而燒毀電動機。電動機在進行轉(zhuǎn)換時會產(chǎn)生沖擊電流。接法轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)一般采用交流接觸器實現(xiàn)，也可以通過晶閘管開關(guān)實現(xiàn)，兩種方法在節(jié)能效果上并無差異，而轉(zhuǎn)換控制電路如何準(zhǔn)確掌握轉(zhuǎn)換時的負載率則會對節(jié)能效果產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)負載率3<%時，不能及時進行切換，則會影響節(jié)能效果，而當(dāng)負載率3>%時，不能及時進行-切換，則會使電流過大，銅耗增加，反而費電，同樣影響節(jié)能效果。為了不使

10、轉(zhuǎn)換頻繁發(fā)生，一般在轉(zhuǎn)換點的負載率之間設(shè)置一定的回差，通常采用負載率3<%時進行4f轉(zhuǎn)換，而當(dāng)3>%,進行-轉(zhuǎn)換。四、晶閘管相控調(diào)壓節(jié)能（）一般而言，磕頭式抽油機均普遍存在抽取能力大于油井實際負荷的問題。因此，泵空或空撈現(xiàn)象便相伴而生。泵空增加無效行程，浪費大量電能，同時也使抽油設(shè)備的維護費用提高。內(nèi)部主要由相控電機節(jié)電器及保護單元、控制回路等部分組成，其核心部分是相控電機節(jié)電器，相控電機節(jié)電器將最新智能可編程軟件固化在微處理器上，通過先進的電子線路對負載電機進行實時檢測與跟蹤，實時控制晶閘管（可控硅）的導(dǎo)通角，在百分之一秒以內(nèi)提供電機最適宜的工作電壓與電流，使電機的輸出功率與實時

11、負載剛好匹配，從而有效地降低電機的功率損耗，改善電機起動、停機性能，達到節(jié)電的效果。相控調(diào)壓節(jié)電器適用于各類處于輕載或變負載運行狀態(tài)下抽油機電機節(jié)能控制，不改變抽油機的上下行程和運行速度，在不減少抽油量的前提下實現(xiàn)節(jié)能效果。相控節(jié)電器配備了軟啟動功能，可以大大降低電機的啟動電流，減少沖擊電流對電機絕緣的破壞、降低電機運行溫度、減少電機的維護量、延長使用壽命。相控節(jié)電器對抽油機電機實時監(jiān)控負載變化、匹配輸入電機所需電能，大大減少電機本體的發(fā)熱、振動、噪音和鐵磁損耗，有效改善電機的運行條件。基于相控節(jié)電技術(shù)的電機節(jié)電器全自動智能化節(jié)電，無需人工調(diào)節(jié)，節(jié)電率效果比較明顯，不改變電機原有轉(zhuǎn)速，不影響抽

12、油機采油量，串聯(lián)于抽油機電機前端，安裝使用簡捷易用，具有軟啟動，動態(tài)跟蹤負載，調(diào)節(jié)用電設(shè)備輸入功率，提高用功功率等功能，可有效地保護電機及機械設(shè)備，設(shè)備運行平穩(wěn)、可靠，是抽油機節(jié)能改造的最佳技術(shù)指導(dǎo)文件。油田抽油機節(jié)能控制柜就是基于相控節(jié)電技術(shù)，專門針對油田抽油機運行效率低、能源浪費嚴(yán)重而推出的新一代油田節(jié)能產(chǎn)品，目前在國內(nèi)許多油田已經(jīng)得到認可和廣泛應(yīng)用。五、無功就地補償節(jié)能交流異步電動機的無功就地補償就是將補償電容器組直接與電動機并聯(lián)運行，電動機啟動和運行時所需的無功功率由電容器提供，有功功率則仍由電網(wǎng)提供，因而可以最大限度地減少拖動系統(tǒng)對無功功率的需求，使整個供電線路的容量及能量損耗、導(dǎo)線

13、截面、有色金屬消耗量，以及開關(guān)設(shè)備和變壓器的容量都相應(yīng)減小，而供電質(zhì)量卻得以提高。無功就地補償只對長期空載或輕載運行的電動機有用，對于重載運行的電動機，因為其本身功率因數(shù)較高，沒有補償?shù)谋匾Ｓ捎诔橛蜋C大部分處于輕載運行的狀況，且由于其分散性，低壓輸電線路較長，本身功率因數(shù)又偏低，無功就地補償?shù)男Ч^好。對于抽油機這樣的負載，負載頻繁變化，沒有必要采用自動投切的電容器組補償，這樣會增加成本，降低可靠性，是得不償失之舉。只要根據(jù)電機容量及平均負載率，選配適當(dāng)容量的電容器進行固定補償就行了，既經(jīng)濟又實用。目前，由于市售的補償電容器質(zhì)量都不好，壽命都不長，因此，應(yīng)當(dāng)選用質(zhì)量較好的自愈式電容器，并有自

14、放電電路的產(chǎn)品。六、超高轉(zhuǎn)差率多速電動機抽油機由于其特殊的運行要求，所匹配的拖動裝置必須同時滿足三個最大的要求，即最大沖程，最大沖次，最大允許掛重。另外，還須具有足夠的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，以克服抽油機啟動時嚴(yán)重的靜態(tài)不平衡。因此，往往抽油機在設(shè)計時確定的安裝容量裕度較大。如型抽油機配，型抽油機配等。世紀(jì)年代中分別引進國外超高轉(zhuǎn)差電動機和超高轉(zhuǎn)差多極電動機技術(shù)，對抽油機拖動裝置進行了大量的科學(xué)實驗，測試和分析，證明抽油機匹配超高轉(zhuǎn)差率多速節(jié)能電動機拖動裝置具有一定的節(jié)能效果。降低抽油機拖動裝置的安裝容量裕量就是一個節(jié)能體現(xiàn)。由于所匹配功率下降，其對應(yīng)的額定電流相應(yīng)下降。網(wǎng)絡(luò)及電機繞組的銅耗與電流平方成正，

15、電流的下降自然帶來了損耗的降低而達到節(jié)能。拖動裝置軟的機械特性造就了抽油機運行過程中電動機功率的有功分量和無功分量的變化，促使輸入功率的降低。抽油機固有的設(shè)計及運行特點與現(xiàn)場實際運行工況相比，不可避免地出現(xiàn)了大馬拉小車的不合理匹配。抽油機維持在點的負載，在現(xiàn)場從未出現(xiàn)過，絕大部分負載在電動機額定功率（指輸出功率）一%左右。對普通電動機而言，如此運行，其效率和功率因數(shù)特低。對超高轉(zhuǎn)差率多速電動機來講，由于曲線平坦，刀及少在負載變化情況下，其值變化不大，從而相對來講其刀及小高于普通電動機，致使有功功率降低，功率因數(shù)提高。因此，就節(jié)能而言，抽油機匹配超高轉(zhuǎn)差電動機是合理的。當(dāng)然，轉(zhuǎn)差率的高低，機械特

16、性的軟硬是否越高越好、越軟越好？對于這一問題，我們認為新技術(shù)的成立與否是通過生產(chǎn)實踐驗證的。轉(zhuǎn)差率高低，機械特性軟硬均應(yīng)適度，否則對其實用性、可靠性帶來不利影響。超高轉(zhuǎn)差率多速電動機軟的機械特性造就了抽油機懸點最大負荷降低，抽油泵上行速度緩慢，抽油桿的彈性變形減小，從而使抽油泵的填充系數(shù)增加，吸液量增大，每沖次來油量增加，使單位液耗電能降低，具有一定的節(jié)能效果。七、變頻器調(diào)速節(jié)能當(dāng)油井的地下滲透能力小于抽油機的泵排量時（絕大多數(shù)油井如此），為了提高抽吸效率，降低單位產(chǎn)量的能耗指標(biāo)，最直接的辦法是實行間抽。但是大多數(shù)的油井是不允許間歇性工作的，因為如果長時間停機的話，輕則會影響產(chǎn)油量，重則會使油

17、井無法再開啟。這是因為：含蠟量高或含鹽量高以及油的粘稠度高，且地處高寒地區(qū)的油井，如果間歇工作，會造成井口結(jié)蠟、結(jié)鹽或結(jié)油的后果，使油井無法再開啟。對于注水油井，如果停止抽取，勢必會影響產(chǎn)油量，這將是得不償失的事，對于這類油井，就要采用其它的節(jié)能方法。為了使抽油泵的排量與油井的滲透能力相適應(yīng)，可以通過改變抽油機的電動機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。抽油泵是一種柱塞泵，對電動機來講是一種恒轉(zhuǎn)矩性的負載，也即電動機的電功率與其轉(zhuǎn)速成正比。這里要提醒注意的一點是：有人一說到泵，就想當(dāng)然地認為和風(fēng)機、水泵一樣屬于平方轉(zhuǎn)矩型負載了，或者說近似于泵類負載”，這都是錯誤的。要知只有葉片式的風(fēng)機和水泵，在不計其靜扭矩時，有近似

18、于平方轉(zhuǎn)矩的負載特性，也即：排量與轉(zhuǎn)速成正比，壓頭（或揚程）與轉(zhuǎn)速的平方成正比，而軸功率則與轉(zhuǎn)速的立方成正比。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，低壓變頻器已是十分成熟的電氣產(chǎn)品，并且其價格也已經(jīng)大幅度下降，目前進口變頻器的價格約為元。國產(chǎn)變頻器的價格在元，在抽油機上大量推廣變頻調(diào)速節(jié)能改造已經(jīng)成為可能。抽油機改用變頻器拖動以后有幾個好處：可根據(jù)油井的實際供液能力，動態(tài)調(diào)整抽取速度，一方面達到節(jié)能目的，同時還可以增加原油產(chǎn)量。由于實現(xiàn)了真正的軟起動，對電動機、變速箱，抽油機都避免了過大的機械沖擊，大大延長了設(shè)備的使用壽命，減少了停產(chǎn)時間，提高了生產(chǎn)效率。大大提高了功率因數(shù)（可由原來的提高到以上），從而

19、大大減少了供電電流，減輕了電網(wǎng)及變壓器的負擔(dān)，降低了線損，挖掘出大量的擴容”潛力。但是，將變頻器用于抽油機拖動時，也有幾個問題需要解決，主要是沖擊電流問題和再生能量的處理問題，以下加以分析。、沖擊電流問題游梁式抽油機是一種變形的四連桿組織，其整機結(jié)構(gòu)特點像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對于支架來說，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動力就可以使抽油機連續(xù)不間斷地工作。也就是說抽油機的節(jié)能技術(shù)取決于平衡的好壞。在平衡率為時電動機提供的動力僅用于提起液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，則需要電動機提供的動力越大。因為抽油載荷是每時每刻都在變化的，而平衡配

20、重不可能和抽油載荷作完全一致的變化，才使得游梁式抽油機的節(jié)能技術(shù)變得十分復(fù)雜。因此，可以說游梁式抽油機的節(jié)能技術(shù)就是平衡技術(shù)。據(jù)筆者對某油田口井的調(diào)查，有口井配重偏大，從而造成過大的沖擊電流，沖擊電流與工作電流之比最大可超過倍，甚至超過額定電流的倍！不僅浪費掉大量的電能，而且嚴(yán)重威脅到設(shè)備的安全。同時，也給采用變頻器調(diào)速控制造成很大的困難，一般變頻器的容量是按電動機的額定功率來選配的，過大的沖擊電流會引起變頻器的過載保護，不能正常工作。通過對抽油機曲柄配重塊的調(diào)整，可以使沖擊電流降到電機額定電流之內(nèi)，沖擊電流與正常工作電流之比在倍以內(nèi)。這樣，選用與電機額定功率同容量的變頻器，甚至略小于電機額定

21、功率的變頻器（要視抽油機電動機的負載率而定）都可以長期穩(wěn)定運行。由于抽油機的起動扭矩往往很大，慣性也很大，所以要將變頻器的加減速時間設(shè)置得足夠長，一般為，才不致在起動時引起過載保護。、再生能量的處理問題由于抽油機屬位能性負載，尤其當(dāng)配重不平衡時，在抽油機工作的一個沖程中，會出現(xiàn)電動機處于再生制動工作狀態(tài)（發(fā)電狀態(tài)），電動機由于位能或慣性，其轉(zhuǎn)速會超過同步速，再生能量通過與變頻器逆變橋開關(guān)器件（）并聯(lián)的續(xù)流二極管的整流作用，反饋到直流母線。由于交一直一交變頻器的直流母線采用普通二級管整流橋供電，不能向電網(wǎng)回饋電能，所以反饋到直流母線的再生能量只能對濾波電容器充電而使直流母線電壓升高，稱作泵升電壓

22、”。直流母線電壓過高時將會對濾波電容器和功率開關(guān)器件構(gòu)成威脅，為了保護電容器及功率開關(guān)器件的安全，所以，變頻器都設(shè)置了直流母線電壓高保護停機功能。第一種辦法是增大變頻器直流母線上濾波電容器的容量，將再生能量儲存起來，等電動狀態(tài)時再釋放給電動機作功。這種方法對節(jié)能有利，但是電容器的儲能作用是有限的，在大容量或者負載慣量大的系統(tǒng)中，不可能只靠濾波電容器來限制泵升電壓。第二種辦法是采用放”的辦法，可以采用由分流電阻器和開關(guān)管組成的泵升電壓限制電路。也就是將回饋能量消耗在電阻上，這是一種耗能的方法，對節(jié)能不利。尤其是在大容量或者大慣量拖動系統(tǒng)中，能量的損失較大。第三、對于地處北方寒冷地區(qū)的抽油機，為了

23、在冬季增加原油的流動性和防止結(jié)蠟，而對井口回油管進行電加熱，如采用中頻加熱裝置。這時也可將變頻器與中頻電加熱裝置共用整流電路及直流母線，這樣可將電動機回饋到直流母線上的再生能量用于中頻加熱器，同時又防止了直流母線電壓的泵升。第四、對于同一井場上有多口油井的場所，可以采用共用直流母線系統(tǒng)技術(shù)指導(dǎo)文件，即若干臺抽油機的變頻器可共用一臺整流器，將其直流母線聯(lián)結(jié)在一起，利用各變頻器的回饋能量不可能在同時發(fā)生的原理，將某一臺變頻器的回饋能量作為其他變頻器的動力。這樣即節(jié)約了能量，又防止了泵升電壓的產(chǎn)生。第五、對于更大功率的系統(tǒng)，為了回饋再生能量，提高效率，可以采用能量回饋裝置，將再生能量回饋電網(wǎng)，當(dāng)然這

24、樣一來，系統(tǒng)就更復(fù)雜，投資也就更高了。所謂的能量回饋裝置，其實就是一臺有源逆變器。、電磁兼容性問題這里主要講電磁干擾（）問題，即變頻器對微電腦控制器，傳感（變送）器及通信設(shè)備的干擾問題。變頻器是一個很強的電磁騷擾源，變頻器中的開關(guān)器件，以及電壓波形，會對控制及通信系統(tǒng)造成很大的干擾。干擾的途徑，除了感應(yīng)、輻射之外，還包括傳導(dǎo)干擾，即通過連接導(dǎo)線傳導(dǎo)的干擾。在控制系統(tǒng)中，變頻器只是一個執(zhí)行組織，它的運行頻率（速度）指令由控制器通過對油井液量等信號的控制運算后給予，變頻器就通過控制信號線，給微電腦控制器造成了很大的干擾，以致使控制器無法正常工作。因為是傳導(dǎo)性干擾，采用屏蔽線是不解決問題的，要從信號線上的共模及差模干擾入手，采用共模與差模濾波器，才能解決干擾問題。、閉環(huán)控制的采樣問題抽油機利用