国内外油田抽油机各种节能方案的分析

时间：2024-07-06

张选正

(索肯和平(上海)电气有限公司，上海 201908)

0 引言

石油开采是国民经济的支柱产业之一。我国是采油大国，亦是耗油大国，故开源节流，节能降耗，低碳排放尤为重要。从原油到成品，耗电量较大，约占成本的40%。因此，油田是耗电大户，是节电的重点。

抽油机是采油的主要设备，属恒转矩注塞泵。使用数量多，按油田面积大小，少则几百台，多则几千台，节电潜力大。抽油机的功率范围一般为18.5～55 kW/台。抽油机工作时间长，几乎24 h 365天工作，只要机械设备正常，就处于连续工作制。

1 抽油机的负荷特点

(1)起动转矩大。因有飞轮及平衡锤配重，所以起动转矩较大，则选用的电机功率也较大。

(2)负荷率较低。起动后实际工作时，一般负荷率约为60%，存在大马拉小车的现象。

(3)泵填充系数变动。受井深度(国内多数是1 000～3 000 m)、原油稠度、上升速度、环境温度(－20～50℃)，与含水分比例等因素有关。溢流是随机变化值，不是固定不变的。为保持泵的高效率、多采油，其上升速度要及时调整到控制技术要求，采用智能型控制方式，使得所需功率与实际匹配。

(4)上升下降负荷性质不同。油泵上升时处于电动机工作状态(即作正功)，下降时按速度快慢及平衡锤调整状态不同以及活塞的间隙大小，有时可能出现发电机工作状态(即作负功)，这时反电势E＞U(端电压)，要产生泵升电压，即电压过高，造成滤波电容器过电压、过电流、超温升，以致击穿，所以要防止和消除这个现象的产生。一般采用强烈能耗制动(适当减小制动电阻值，或提高电容器耐压，以及耐温，由85℃提高到105℃，或增大配置电容器的容量，比正常增大20% ～30%)，这对使用普通U/f型变频器尤为重要(指单象限工作方式)，亦可选用具有能量回馈四象限工作的矢量变频器，将多余的能量回馈到电网，这样既解决上述问题，又可实现节电(一般可节电10% ～20%)。这是一种较为合适的方法。

(5)稳定可靠是首位。变频器一般采用柜式，以适应工作环境差的要求，处于半露天工作环境，冬夏温差可达50～60℃，对使用器件质量要求高，安全系数大，有一定冗余度，工频变频自动切换，加强通风散热，制作工艺精良，测试要完全。

总之，抽油机上升或下降，恒速传动方式既浪费电功率，又减少泵油量，经济效果差，有待改进、改造，以变速智能控制是合适的方案。

2 常见各种节能方案的分析

(1)智能化的控制方案。

①大连市伟肯斯瑞特能源科技有限公司生产的WK-YT-CYJ型抽油机智能控制柜。功率22～55 kW，采用数字式控制器测量抽油机每个冲次的作功，按液面状态相应连续调整油泵下行速度，通过检测泵的工作转矩判断供液状况而相应调整运行速度，避免过高的冲击力矩产生事故，使实际功率与需要相匹配，并能将配重块和井杆的位能转化为动能，并自身释放，达到均匀加、减速，因而无电流反馈电网，使电流大为减小，这样泵效率提高，产油量提高，并有效节电≥30%。采用的液位传感器是美国霍尼韦尔公司产品，基于反射原理工作，其反应速度快、可靠性高、经济实惠，适用于较差的环境下工作。节态运行与原态运行的比较如图1所示。

图1 节态运行与原态运行的比较

②北京市禄智科技公司与清华大学共同研发的LOGINTEL抽油机节电器。通过智能化的控制手段令抽油机工作能力与油井负荷建立起优化匹配，能动态响应负荷变化，以便克服泵的低效和电能浪费，从而实现较大的节电幅度，并有平衡三相电压，抑制谐波瞬时涌流对电网的影响，功率15～75 kW，选用单片机特制软件技术，开发难度稍大。

(2)四象限能量回馈变频器方案。

这是国内、外使用较多的方案。上下速度人为选定可调，约有20%的节电效果。功率匹配与泵效提高，未能做到最优化条件。要用四象限能量回馈变频器，价位略高些，相当于普通变频器的2倍价位。

(3)西门子有功率控制的G120主控板变频器的方案。

一般能量回馈时无功率限制这个环节，所以往往要产生过压、过流，这对滤波电容器很不利。若能在正转到反转转折时有自动控制方式，使其功率为最小，这样就可避免上述现象发生，亦不须用四象限变频器进行能量回馈，即从变频器电路源头来解决问题，这是较为合理的、可靠性强的方式。但国内现在尚无产品。

(4)意大利意科公司速度跟踪方案。

主导思路是上快下慢(如上40 Hz下30 Hz)、人为可调，加强制动转矩。采用速度跟踪方法，即当电压U上升时使频率上升，从而保持U/f=C不变，减少多余能量及过压过流的产生。

(5)加拿大北方公司的电压跟踪方案。

当稠油时冲次要低，以提高泵的效率，上下冲次任意可调，有功率因数补偿，采用放电电阻来消耗多余能量，并有能量回馈装置实现电压自动跟踪，以达到最佳制动力矩的控制，起动转矩要适当加大。

(6)深川公司(与日本合资)的动态调压方案。

①对贫油井或老油井采用流量传感器测流量，当小于经济流量时实行停机或轻载时将电机绕组自动进行切换，以降低加于电机绕组上的相电压来实施降压节电的方式。

②当上行程或下行程有负荷变化时，及时测出送至变频器输入来即时调电压，使其工作能力与实际相匹配达到节能目的，这就是动态调压节能，节电约15% ～20%。

(7)采用永磁同步电机的方案。

当今国内绝大多数生产机械都用异步电机作为动力源，采用变频器调速。国外从2000年开始已采用永磁同步电机来替代异步电机。原因如下:① 起动电流小;② 起动转矩大;③ 功率因数高;④ 滑差=0;⑤ 结构简单。从以上5点看，显然优于异步电机，故使用量逐步在扩大，有替代的趋向，油田抽油机亦不例外。但目前永磁同步电机及调速控制器二者相加总价偏高，对这门新技术熟悉不够，影响了使用的广度。在油田曾做过试探，性能效果都很好，是件值得关注的事。为节省成本，试制时，永磁同步电机可由现有的异步电机改制［1］。

(8)采用多级功率绕组的异步电机。

一般电机是一级功率即额定功率，但是当采用多极绕组后，可以通过绕组的不同接法来改变加在绕组上的相电压，从而改变输出功率的大小，例如有PN、0.75PN、0.5PN，其中PN为额定功率。这种电机已有河南新乡市豫通电机厂能生产，再配上负荷自动控制器可自动进行绕组的改接，来实现输出功率的改变。

(9)轻载的△/Y自动切换节电方案。

一般18.5 kW以上的异步电机，在380 V电压时是△接法，可输出额定功率，当轻载时(如60%)，若用380 V全压，显然功率因数较低，成为大马拉小车而浪费电能，这时可将电机绕组改为Y接法，即相电压下降为220 V，给节电带来好处，需用功率与之相匹配，这是最简便的方法。目前，市场上有按负载电流大小(可人为设定)的△/Y自动切换节能节电器，亦可用在抽油机中，节电率虽小些，约10%，但因其结构简单，成本较低(仅约1 000元)，而且没有复杂的电路，调试容易，维护量小，有些场合还是可用的。相对于一套智能化的变频节电装置，它可以买8～10套。这样，合起来的总节电量肯定比一套的大，有可取之处。

(10)模糊控制节电方案。

抽油机是个多变量、实时、工艺参数随机变化的设备，上述9种节电方案有简单的，亦有复杂的，都各有优点，亦有不足之处，比较理想的是智能化控制方案，对这样的负载选用模糊控制是最为理想合适的，当然有一定的技术难度。随着生产的需要，技术的提高，抽油机节电设备将会出现更新的方案。目前，油田抽油机的节电装置使用率不到1/3，故市场潜力很广阔。模糊控制节电方案目前正处于研究开发之中。