抽油机节能电控装置综合分析

    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·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·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。

图1    游梁式抽油机——抽油泵装置简图

1—电动机；2—减速器；3—四连杆机构；4—抽油杆柱；

5—油管；6—套管；7—抽油泵；8—游动阀；9—固定阀

图2    常规曲柄平衡抽油机

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—配电柜 [page]

    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。

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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的触发角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。

图5    软起动控制器框图

表1    按最佳调压系数进行调压后节省的电量计算值

    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P_N=1600kW，额定电压U_N=6.0kV，额定电流I_N=185A，额定转速n_N=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η_N=94.49％，额定功率因数cosφ=0.879。电动机额定负载时的有功损耗ΣP_N=93.3kW，电动机的空载损耗P_o=29.6kW，空载电流I_o=46.25A，电动机带额定负载时的无功功率Q_N=918kvar，电动机的空载无功功率Q_o=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GB124971995的规定，综合节电为ΔP＋K_qΔQ，其中K_q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·h）数，这是错误的。

    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P_N×2.22％=35.52kW，而应当为β=0.4时的负载功率P_N×0.4加上电动机当U=UN时的功率损耗ΣP_N=72.83kW，来乘以综合节电率2.22％，即（1600×0.4＋72.83）×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。