浅谈我国抽油机电控装置的发展

1    引言

    抽油机（俗称叩头机）是石油开采中的必备设备。一般，每个原油生产井都至少使用一台抽油机，将深藏在地下（或海水中）的石油通过抽油管抽出。据不完全统计，我国陆海共有石油生产油井八万多个，也就是说石油行业共有八万多台抽油机在运行。图1给出了抽油机的结构图。抽油机的每个工作循环可分为上提抽油杆，下放抽油杆，从上提抽油杆转换为下放抽油杆，从下放抽油杆转换为上提抽油杆四个阶段。抽油机的负荷电流曲线如图2所示。显然抽油机的负载为一周期性变化的负载。

图1    抽油机结构图

1—底座；2—支架；3—悬绳器；4—驴头；5—游梁；

6—横梁轴承座；7—横梁；8—连杆；9—曲柄销装置；

10—曲柄装置；11—减速器；12—刹车保险装置；

13—刹车装置；14—电动机；15—配电箱。

图2    抽油机负荷曲线图

    据截止2000年初的统计资料表明，我国石油企业总用电量为327.22×10⁸kW·h，其中油气田生产系统用电量为206.03×10⁸kW·h。据估计，中国石油天然气股份公司平均每吨油成本中的电费支出约占20％～30％，地方油田生产成本中的电费支出更高，而电费支出中抽油机占了相当大的比重。因此，对抽油机的机械系统和电气控制系统进行节能改造，可带来相当可观的经济效益。

2    抽油机节能潜力巨大

    大部分原油生产井的抽油机采用图1所示的结构，即直接以交流电机作为原动机，通过皮带传动与凸轮机构把电动机的旋转运动转化为抽油杆的上、下往复式运动。对交流电机的控制仅用一个开关，如图3所示。从图3可见，这种控制方式具 有 以 下 几 个 特 点 。

图3    过去抽油机的控制方案

    1）电机直接起动，起动电流大    由于抽油机的井位远离供电主电网，且一般选取配电变压器的容量有限，所以，起动中较大的电流引起供电电压的下降。经对延长西区采17＃石油生产井的实测，起动过程中电网电压降落达25～30V，因而，对同一井区数口采油井（或数台抽油机）共用一个变压器的场合，则要求抽油机互相错开起动时间，以尽可能减小电网电压在起动过程中的降落。

    2）缺相及过载无法保护，经常造成电机烧坏    由于图3所示控制方案无法监测电机是否缺相运行，所以，当电网缺相(如变压器断线，电机内部断线或接触不良造成缺相)时，极易使电机烧坏。对过载来讲，图3所示线路亦没有检测与保护手段，经常造成电机虽未缺相但过载运行而烧坏，几乎在各油田都有很多被烧坏的抽油机电机。

    3）功率因数很低    由于抽油机周期性负荷特点，加之电机为感性负载，因而运行中功率因数很低。经对延长油矿西区采17＃石油生产井的实测功率因数，最低时为0.125，最高时仅0.54，所以耗电严重。现以全国的8万多台抽油机平均电机功率为15kW（实际电机平均功率大于15kW），生产时间平均负荷率按80％计算，全国每年抽油机耗电不少于84.096×10⁸kW·h。若采用先进的节能控制装置，使总节电率提高10％，则年可节电不少于84.096×10⁷kW·h。按0.4元/kW·h计算，则直接经济效益不少于3.4亿元。

3    抽油机电控装置

    据统计，我国石油开采成本为发达国家（如美国）的好几倍，中国石油天然气总公司从1996年到1998年的三年里通过先进的用电管理技术，使中油集团公司高峰电力得到有效控制。十五期间又制订出新的降耗增效策略，以进一步降低石油开采成本及提高总体效益。作为石油生产中用电消耗大户之一的抽油机节能问题，则受到了各油田的普通重视。为此，对抽油机节电装置的研究，受到了国内电力电子及特种电源行业的普遍关注，至今，在各油田进行中试或已投运的电控装置，从大的方面来看可分为以下几种。

    1）直接起动带过载和缺相保护的方案

    这种方案的原理电路如图4所示。在运行中加到电机定子上的端电压仍为固定值，功率因数仍然很低。该方案具有手动、自动控制功能，通过对交流电机某一相电流的检测来进行过流保护，而缺相保护是通过对三相电压的检测来进行的，具有图4（a)与图4（b)所示的两种线路。

    对于图4（a)，当电网三相缺一相时，P点电压便不为0，V₁导通，进行缺相保护，而当电机过载时比较器A₁翻转，V₂导通，进行过载保护。缺点在于电流检测仅用一相，若A、B两相中有任一相过载，则不能进行可靠的保护；另外，在电机定子绕组为三角形接线时，既就是电网缺相，但由于运行的电机通过内部绕组会感应出所缺的这一相电压，因而V₁不一定能可靠导通进行缺相保护；另一方面当电网三相不平衡时，P点电压有可能大于0.7V而进行误保护。

    图4（b）利用缺相时要么接触器J_Z线圈断电，要么继电器J₁线圈断电，进行缺相保护。过流保护应用三个电流互感器,保护较图4（a）要可靠点，但当电机定子绕组为三角形接线时，缺相保护不可靠的问题仍然存在。

（a）    控制保护线路1

（b）    控制保护线路2

图4    具有缺相与过载保护的两种抽油机常用控制线路

    2）同时应用电流信号进行缺相和过载保护

    这种方案仍然采用电机直接起动，以三个电流互感器监测电机三相电流,原理电路如图5所示。该电路通过电流互感器检测出三相电流信号，当缺相时，整流电压U_d波形出现缺口，使缺相保护电路动作；当过载时U_d值增加，超过过载保护门槛，过载保护电路动作。该电路的设计应考虑起动时的过载（交流电机直接起动电流为额定电流的5～7倍），不应使过载保护动作，由于加到电机定子侧的电压为固定值，功率因数仍很低，不能进行有效的节能。

图5    应用电流信号进行缺相和过载保护的原理图

    3）应用电容补偿提高功率因数

    有许多油田抽油机的控制装置采用电容器补偿，即在电机三相定子绕组上并接一固定三相电容器组，由于电容值固定，只能使抽油机的功率因数提高，而不能达到最优。经对延长油矿西区采17＃生产油井采用固定式电容补偿的测试表明，功率因数为0.54～0.98，比不补偿时的0.154～0.5提高了很多，但不是都大于0.9，同时由于加到电机定子侧的电压恒定，所以电机的损耗并未降低。

    4）应用变频器来按电机负载情况进行调速

    采用变频器来控制电机，即变频器按负载的大小对电机进行变频调速，轻载时使电机的转速降低，从而得到近似于泵类负载的节能效果。由于变频器的价格较高，使这种方案推广难度大，同时，由于抽油机运行环境的恶劣，其可靠性亦存在问题，现场维护力量跟不上，是油田不太喜欢的方案。

    5）保持电机转速恒定，按负载大小调压

    此方案是各电力电子企业和科研单位正在开发探讨的方案。国内亦有几台从日本进口的此类设备，其工作原理是按抽油机负载的周期性变化，通过晶闸管调节加到电机定子侧的电压值，从而使电机的实际运行电流减小，保证在运行过程中电机的铁损耗与铜损耗相等，从而减小电机空载及轻载时的损耗。经测试采用这种调节方法后，可使电机的损耗减小20％～30％，采用晶闸管调压，可以解决电机的软起动，缺相保护，过载保护等问题。另外，晶闸管作为无触点开关，省了接触器，从而解决了接触器工作寿命相对较短（触点寿命仅10000多次）的问题。

4    抽油机电控装置发展趋势的探讨

    由于抽油机是石油开采中必须使用的设备，随着国民经济的飞速发展，国内对石油的需求量逐年增加，可以断言抽油机的使用量将会有很大的增加，所以，新型节能的抽油机电控装置的开发和推广应用不可避免，对抽油机电机控制的研究将会有一个很大的飞跃，其发展趋势如下：

    1）直接起动不带保护的抽油机电机控制方案将会快速退出历史舞台由于这种控制方案的弊端，现在已不在大、中油田的采油企业中使用，相信地方油田也将会很快淘汰它。

    2）具有软起动，缺相和过载保护以及功率因数补偿的抽油机电机控制方案将大面积推广和应用为保护抽油机电机不被烧坏，这种带有智能化控制的电控设备将获得大面积推广和使用。应特别强调的是这种控制设备中补偿电容将不是固定地接在抽油机电机的定子端，而是根据抽油机负载曲线随时自动切换补偿电容的数量，从而使抽油机工作的整个周期内的功率因数都补偿到0.9以上。其缺相保护，过载保护性能将更加灵敏、更加迅速、更加准确和可靠。

    3）保持电机转速稳定，具有多种保护功能及功率因数补偿的抽油机控制设备将是抽油机电控设备发展的主流由于这种抽油机控制方案具有软起动功能，缺相、过载、电机过热等保护功能齐全，且可根据地下油藏及抽油量的大小自动调节抽油机电机的端电压，同时有功率因数补偿环节，可极大地减小抽油机拖动电机的损耗，实现很好的节能效果。毫无疑问，这种方案将是抽油机电机控制方案的主流，将在各油田获得广泛应用，其市场前景巨大。

    4）带有遥控遥测功能，具有完善保护能力，可节能的抽油机电机控制器是一个研究热点由于采油井分布地域广而复杂，而且不是每个生产油井都有人值班，所以，这种控制装置将是抽油机电机控制设备的一个发展方向。它可以实现多台抽油机的集中控制,达到巡回检测，群控等功能，能把抽油机的生产运行情况及时向中央控制站报告，特别符合油田的生产需要，是未来几年内抽油机控制装置的一个研究热点，将代表着抽油机电机控制装置的发展方向。

    5）抽油机电控装置将从结构和性能上不断创新由于抽油机工作环境十分恶劣，要求其电控装置具有防霉、防雨、防爆等功能，所以，随着研究的深入，抽油机电控装置的结构将朝着具有上述三防功能，体积更加缩小，更便于维修和散热，其控制和性能将更加智能化，更加适合油田使用的方向发展。另外，傻瓜型抽油机电控设备将是其又一个重要的发展方向。

    6）抽油机电控设备的备品备件将系列化、标准化随着国家对抽油机电控设备标准的逐步完善，其备品备件将逐步实现系列化、标准化，进而实现通用化、模块化，其互换性将逐步增强。

5    结语

    1）抽油机在我国石油生产中有极大的使用量，其电力消耗量很大，节能降耗潜力巨大。

    2）技术性能先进的抽油机电控装置可降低石油开采成本，带来巨大的经济效益，推进石油企业装备的进步，使我国石油企业能泰然面对加入WTO的挑战，增强参与国际石油市场竞争的能力。

    3）国内对抽油机电控设备的研究方兴未艾，将促进该领域的发展和进步。

    4）抽油机电控装置的发展方向是节能效果明显，保护功能齐全，适应油田环境要求，带有遥控遥测功能。