抽油机节能电控装置综述（1）

摘要：介绍了几种类型的抽油机节能电控装置，比较了它们的优缺点和节能效果，并探讨了其发展趋势。 关键词：抽油机；节能；电控装置 1 概述 自从100多年前，以燃烧石油制品为动力的机器诞生以来，对石油的需求量飞速增长，也为石油工业的发展提供了契机。随着采油业的发展，产生了被广泛使用的油井举升设备——抽油机。 抽油机的种类繁多，技术发明有数百种。从采油方式上可分为两类，即有杆类采油设备和无杆类采油设备。有杆类采油设备又可分为抽油杆往复运动类（国内外大量使用的游梁式抽油机和无游梁式抽油机）和旋转运动类（如电动潜油螺杆泵）；无杆类采油设备也可分为电动潜油离心泵，液压驱动类（如水力活塞泵）和气举采油设备。 目前，应用最为广泛的是游梁式竖井抽油机采油系统，如图1所示。由图1可见，该系统由3部分组成，即地面部分——游梁式抽油机，它由电动机、减速箱和四连杆机构（包括曲柄、连杆和游梁）等组成，详细结构见图2；井下部分——抽油泵（包括吸入阀、泵筒、柱塞和排出阀等），它悬挂在套管中油管的下端，可分为杆式泵和管式泵；联接地面抽油机和井下抽油泵的中间部分——抽油杆柱，它由一种或几种直径的抽油杆和接箍组成。 我国的油田不像中东的油田那样有很强的自喷能力，多为低渗透的低能、低产油田，大部分油田要靠注水压油入井，再用抽油机把油从地层中提升上来。以水换油或者以电换油是我国油田的现实，因而，电费在我国的石油开采成本中占了相当大的比例，所以，石油行业十分重视节约电能。目 前，我国抽油机的保有量在10万台以上，电动机装机总容量在3500MW，每年耗电量逾百亿kW%26;#183;h。抽油机的运行效率特别低，在我国平均效率为25.96％，而国外平均水平为30.05％，年节能潜力可达几十亿kW%26;#183;h。除了抽油机之外，油田还有大量的注水泵、输油泵和潜油泵等设备，总耗电量超过油田总用电量的80％，可见，石油行业也是推广“电机系统节能”的重点行业。抽油机节能包括节能型抽油机和抽油机节能电控装置的研制与推广两个方面，对此两大技术的研究方兴未艾。介绍和宣传的文章很多，众说纷纭，莫衷一是。厂家的产品性能介绍亦有“王婆卖瓜”之嫌。因此，有必要将目前常见的几种类型的抽油机节能电控装置作一个科学的分析比较，以供用户选用时参考。在全国各油田进行试验或已投运的节能电控装置不下数十种之多，大体上可以分为5种类型，下面分别加以讨论。 2 间抽控制器（POC） 由于抽油机是按照油井最大化的抽取量来进行选择的，并且还留有设计余量。另外，随着油井由浅入深的抽取，井中液面逐渐下降，泵的充满度越来越不足，直到最后发生空抽的现象，如果不加以控制，就会白白地浪费大量的电能。对于这种油井，最简单的方法是实行间抽，即当油井出液量不足或发生空抽时，就关闭抽油机，等待井下液量的蓄积，当液面超过一定深度时，再开启抽油机，这样就提高了抽油机的工作效率，避免了大量的电能浪费。 间抽控制的原始做法是派人定时到油井去开停抽油机，即使在发达国家，目前也还有不少油井采用这种人工控制方式，以便解决抽油机的低效和浪费问题。这种做法每天要派人去井场操作好几次，经过长期试验才能摸索出适合各油井的间抽规律，费工费时。于是就引入了定时钟，只须设定开、停机时间，便能自动地进行间抽控制，但是，这仍然无法解决令抽油机的工作能力动态地响应油井负荷的变化，以达到最佳的节能效果，同时，还有可能会影响油井的产量。 为了解决上述问题，通过安装相关的传感器，精确感知油井负荷的动态变化，实现智能间抽控制（IPOC）。为此，可采用各种不同的传感器达到控制目的，下面分别予以介绍。 2.1 液面探测器 如果能直接测出井中的液面，那么就可以用它来控制抽油机的运行。当液面高度超过泵时，就启动抽油机；当液面降到泵的吸入口处时，就关闭抽油机，避免空抽的发生。早期的方法是使用永久式的井下压力传感器来检测液面，现代则是利用声波装置从地面上自动监测井下液面深度，但是，由于装置复杂，维修费用高而没有得到普及。 2.2 流量传感器 在井口通过流量传感器检测油井的出液量，是实现抽油机控制最直接，也是最有效的方法。但是，由于国内的油井产量太低，有些油井的产量每天只有几m3，甚至不足1m3，合10cm3/s。这么小的流量检测，对于各种类型的流量传感器来讲都是一个难题，再加上井中采出的油液中含有大量的泥沙和蜡块，经常会发生堵塞现象，因而也未能获得推广应用。 2.3 电机电流传感器 应当说，电机电流的检测是最方便、最可靠，也是最为廉价的方法。当发生空抽时，下冲程开始 时游动阀并没有打开，光杆载荷为杆柱重量及游动阀上部液柱的重量之和，可平衡掉大部分的配重的重量，电动机只要用很小的能量就可将杆柱送入井底，电机电流较小；当油井中泵的充满度较高时，下冲程开始不久，游动阀即打开，泵中液面托住了游动阀上部的液柱重量，并且使抽油杆柱也浸没在液体中，因而光杆载荷只是杆柱在液体中的浮重，这也就意味着电机将用较大的能量来举起曲柄或游梁尾部的平衡块的重量才能将杆柱送入井底，因而电流就较大。 在下冲程时设置一个设定值，当发生空抽时，实际电流将降至此值以下，控制器就关闭抽油机。也可通过电机的平均电流进行检测，从实际平均电流的下降中也可很容易地鉴别出空抽的发生。但是，电流的检测受到抽油机配重的影响而使实际的电机电流变得很难控制，绝不像某些肤浅的文章中所描述的那样，是近似方波的电流波形。实际的抽油机电动机的扭矩（电流）曲线如图3所示。这种不规则的扭矩（电流）曲线，只有通过抽油机的机械结构和平衡曲线的改变方能改变，而不是通过电控装置可以实现的，因此，这是一个机电一体化的系统工程问题。 2.4 抽油杆载荷传感器 普遍采用的方法是通过特制的传感器，对抽油机的光杆载荷进行检测，因为，光杆载荷是井下泵运行情况的最好监视器，并且它不受平衡配重的影响。泵的充盈系数（包括空抽）通过对抽油杆载荷的分析可以很容易地被检测出来。另外，更重要的是抽油杆载荷数据，加上抽油杆位置的信息，正是分析井下工况的“示功图”的必备数据，利用这些信息可对抽油机的运行情况进行全面的分析。 在光杆或游梁上安装测力传感器可以测出抽油杆的载荷数据。光杆测力传感器比较准确，但易于损坏；安装在游梁上的传感器准确度比较低，但比较耐用。国内已有抽油机专用的测力传感器产品。利用载荷传感器的数据绘制的示功图，检测抽空控制设备的工作原理如图4所示。 抽空控制最可靠的一个方法是计算光杆所做的机械功，因为，机械功与被示功图所封闭的面积成正比，所以，空抽表明输入到系统中的能量减少，只须计算示功图的面积或一部分面积即可检测抽空条件。其方法包括在示功图上设定两条垂直线，计算这两条抽油杆位置线之间示功图的面积或曲线下面的面积，如果用示功图里面的面积，可检测出图4中的面积1减少了；如果用示功图下面的面积，则可检测出面积2增加了。 同时，也可像电机电流信号一样，通过计算光杆载荷平均值的办法来检测抽空的发生，较高的载荷平均值表示有可能发生空抽，而较低的载荷平均值则表示油井中液量多。 总之，间抽控制器的优点和经济效益是显而易见的。 1）由于缩短了抽油时间，大大减少了能量消耗。但是，在用人工控制和定时自动控制间抽时，由于惟恐减产，几乎都会发生实际抽油时间比必要的抽油时间长的情形，因而不能完全避免空抽。通过传感器信号实现闭环控制的智能间抽控制器（IPOC），在检测到空抽时立即关闭抽油机，避免了空抽的发生，平均可多节约能量20％～30％。 2）相对于人工间抽和定时间抽来讲，智能间抽控制由于达到了较低的平均液面，增加了产量。因为，较低的液面意味着较低的井底流压，结果较多的液体流入井底，通常可增产1％～4％。 3）由于消除了液击现象，可使井下和地面设备的维修费用减少25％～30％。另外，通过IPOC装置可提前探测到油井故障，从而进一步减少了所需的修井作业量。 4）使用微电脑技术的IPOC装置大大增加了抽油系统的性能信息检测数据，为抽油机的遥控遥测及集中控制创造了条件。 3 软起动及调压节能型 由于抽油机的功率档次有限，如30kN，60kN， 80kN，100kN等，而每一口油井的参数都不一样，在选配抽油机时，不可能做到量体裁衣，刚好和抽油机的功率档次相匹配，一般留有一定的功率裕量；各型抽油机在配用电动机时，为了保证抽油机在各种工况下正常运行，也留有一定的功率余量；随着油井由浅入深的抽取，油井的产液量越来越少，抽油机的负荷也相应减小。由于上述原因，就造成了抽油机的实际负载率普遍偏低，大部分抽油机的负载率在20％～30％之间，最高也不会超过50％，形成大马拉小车的现象。而当电动机处于轻载运行时，其效率和功率因数都较低，此时若适当调节电动机定子的端电压，使之与电动机的负载率合理匹配，这样就降低了电动机的励磁电流，从而降低电动机的铁耗和从电网吸收的无功功率，可以提高电动机的运行效率和功率因数，达到节能的目的。 3.1 电动机定子绕组△/Y转换降压节能 由于低压电动机在正常工作时，定子三相绕组是△接法，这样每相绕组承受380V的线电压，电动机可产生额定的输出机械功率。电动机的转矩是与电压的平方成正比的，当电动机轻载（负载率<33％）时，可以将电动机的绕组由△接法改成Y接法，使每相绕组只承受220V的电压，即为额定电压的1/，电动机的转矩也就仅为额定转矩的1/3。当负载率>33％时，再将电动机绕组改为△接法运行，否则，会因电流过大而烧毁电动机。电动机在进行Y/△转换时会产生冲击电流。 Y/△接法转换的实现一般采用交流接触器实现，也可以通过晶闸管开关实现，两种方法在节能效果上并无差异，而转换控制电路如何准确掌握转换时的负载率则会对节能效果产生较大的影响。当负载率β<33％时，不能及时进行△→Y切换，则会影响节能效果，而当负载率β>33％时，不能及时进行Y→△切换，则会使电流过大，铜耗增加，反而费电，同样影响节能效果。为了不使转换频繁发生，一般在转换点的负载率之间设置一定的回差，通常采用负载率β<30％时进行△→Y转换，而当β>35％，进行Y→△转换。 3.2 晶闸管相控与调压节电软启动 晶闸管软启动与调压节电的控制框图如图5所示。由单片机控制串联在电动机定子主电路中的晶闸管?触发角α，即可以改变加在定子绕组上的端电压值，从而起到调压节电的目的。其优点是可以动态跟踪电动机的功率因数或输入电功率，达到最佳节能效果；在负载突然增加时也可得到及时的响应，以免电动机堵转；且可兼作电动机的软启动器，同时由于采用单片机控制，具有完善的保护功能。其缺点是造价较高，且由于对晶闸管进行相控，会产生大量的谐波，对电网、电机以及通信系统造成不良的影响，今后这类产品将因达不到电磁兼容的标准而被限制使用。关于电动机降压节电的有关计算和校验，国标GB124971995《三相异步电动机经济运行》中有明确的要求。在采取调压节电时，既要达到节电的目的，又要保证电动机轴上的出力，并有一定的过载系数，否则，当负载波动时电动机将发生堵转而烧毁。电动机轻载降压时，首先是功率因数上升，节约了无功功率。这里必须着重指出：不是所有的降压行为都能达到节能的目的，只有当电压的降低程度大于转差率及功率因数的上升程度时，才能使降压运行的电动机效率得到提高而节能。 经过各种检验计算，电动机降压后的最低电压范围大致为（0.56～0.27）UN。以上数据是以正弦波电压计算的，若考虑到晶闸管调压所产生的谐波，引起电动机的噪音，振动和附加发热等因素，其节能效果还要降低。一台Y1600—10/1730型电动机轻载降压节能效果的计算数据见表1。Y1600—10/1730型电动机的原始数据为：额定功率PN=1600kW，额定电压UN=6.0kV，额定电流IN=185A，额定转速nN=595r/min，最大转矩倍数（最大转矩/额定转矩）=2.22，起动电流倍数（堵转电流/额定电流）=5.53，起动转矩倍数（起动转矩/额定转矩）=0.824，额定效率ηN=94.49％，额定功率因数cos=0.879。电动机额定负载时的有功损耗ΣPN=93.3kW，电动机的空载损耗Po=29.6kW，空载电流Io=46.25A，电动机带额定负载时的无功功率QN=918kvar，电动机的空载无功功率Qo=480.6kvar。 由表1可知，电动机降压节能，主要节省的是无功功率，提高了功率因数，对供电网有利。而有功节电主要节省的是电动机自身损耗的一部分，且随着负载率的上升而锐减：负载系数β=0.1时，有功节电率为15％；β=0.2时为5.3％；β=0.3时仅为2.1％。按照国标GB124971995的规定，综合节电为ΔP＋KqΔQ，其中Kq为无功经济当量，其值规定为：电动机直连发电机母线时取0.02～0.04；经二次变压时取0.05～0.07；经三次变压时取0.08～0.1。一般抽油机电动机均经三次以上变压，可取为0.1，也即每节省10kvar的无功功率，可折合为1kW的有功功率计算。由于降压节能时电动机的转速基本上不变，轴上的负载也不变，则电动机的输出轴功率是不会改变的，节省的只是电动机自身损耗的一部分，表1中第7栏综合节电率应为表中第4栏的数据除以当时的负载功率与第5栏的损耗功率之和的结果，并非为节省的综合有功功率与电动机额定功率之比。这是一个概念误区，有些用户在计算节电效益时，往往用电动机的额定功率乘以节电率再乘以运行时间来计算节省的电能（kW%26;#183;h）数，这是错误的。 表1 按最佳调压系数进行调压后节省的电量计算值 电动机负载系数β 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 最佳电压调节系统Kum 0.374 0.53 0.647 0.747 0.833 0.916 节省的有功功率ΔP/kW 24.2 17.0 11.0 6.4 3.0 0.86 节省的无功功率ΔQ/kvar 386.5 300.8 224.8 157.0 97.6 47.2 节省的综合有功功率ΔP＋KqΔQ 47.4 35.05 24.5 15.8 8.86 3.7 U=UN时电机综合损耗功率∑Pc 59.34 62.04 66.53 72.83 80.93 90.82 损耗节电率/％ 79 56.4 36.8 21.7 11 4 综合节电率/％ 21.6 9.17 4.48 2.22 1 0.35 由表1可知，当负载率为β=0.4时，其综合节电率为2.22％，其节省的功率并非为PN%26;#215;2.22％=35.52kW，而应当为β=0.4时的负载功率PN%26;#215;0.4加上电动机当U=UN时的功率损耗ΣPN=72.83kW，来乘以综合节电率2.22％，即（1600%26;#215;0.4＋72.83）%26;#215;2.22％=15.8kW。有些制造商常在这一问题上误导或欺骗用户，应引起注意。 通过降压对电动机实现软起动的目的，一是减少起动时过大的冲击电流，二是减小全压起动时过大的机械冲击。那么在抽油机上使用降压软起动装置，其效果究竟如何呢？由于电动机的转矩与施加电压的平方成正比，施加电压降低了，电动机的转矩若达不到负载的起动转矩时，电动机是转不起来的。虽然电动机的堵转转矩一般小于额定转矩，但是，当电压降到额定电压的70％时，电动机转矩只有额定转矩的50％，对于起动转矩超过50％额定转矩的负载，是转不起来的。只有当电压升高到电动机的转矩足以克服负载的静转矩时，电动机才能启动。所以，△/Y转换起动只适合起动转矩<1/3额定转矩的负载，一般的软起动也只适合起动转矩<50％额定转矩的负载，对于重载起动的负载就降低起动电流来说，软起动器也是无能为力的。 对需重载起动的负载，使用软起动并不能达到减小起动电流的目的，更不能达到节省起动能量的作用；但是，由于软起动器的电压是呈钭坡上升的，虽然在达到起动转矩前电动机并不旋转，但随着电动机轴上扭矩的不断增大，被拖动的负载是慢慢被加力的，所以，用软起动器起动需重载起动的负载时，可以达到减小机械冲击的目的。对于抽油机来讲，使用软起动器，不一定能达到减小冲击电流的目的，但可以达到减小起动时机械冲击的目的，还是有一定作用的。 在某些宣传降压节能产品的文章中，提到在抽油机处于发电状态时，可以通过调整晶闸管的触发角α改善瞬时过电压的问题，事实上也不尽然。当异步电动机由于负载超速而变成异步发电机运行时，是会产生瞬间过电压，使电动机端电压高于供网电压，但由于供电网可以看成是一个无穷大的电源系统，当稳态运行时，电机端电压只是略高于供网电压，以便能量反馈。这时调整晶闸管的触发角α，只能调整电流，即异步发电机的负荷，对于抑制过电压并无效果。 4 无功就地补偿节能型 交流异步电动机的无功就地补偿就是将补偿电容器组直接与电动机并联运行，电动机启动和运行时所需的无功功率由电容器提供，有功功率则仍由电网提供，因而可以最大限度地减少拖动系统对无功功率的需求，使整个供电线路的容量及能量损耗、导线截面、有色金属消耗量，以及开关设备和变压器的容量都相应减小，而供电质量却得以提高。 无功就地补偿只对长期空载或轻载运行的电动机有用，对于重载运行的电动机，因为其本身功率因数较高，没有补偿的必要。由于抽油机大部分处于轻载运行的状况，且由于其分散性，低压输电线路较长，本身功率因数又偏低，无功就地补偿的效果较好。对于抽油机这样的负载，负载频繁变化，没有必要采用自动投切的电容器组补偿，这样会增加成本，降低可靠性，是得不偿失之举。只要根据电机容量及平均负载率，选配适当容量的电容器进行固定补偿就行了，既经济又实用。目前，由于市售的补偿电容器质量都不好，寿命都不长，因此，应当选用质量较好的自愈式电容器，并有自放电电路的产品。