[摘要]本文電子技術(shù)論文針對抽油機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，應(yīng)用抽油井變頻技術(shù)后使油田開發(fā)過程中的抽油機(jī)能耗得到有效的控制。它是利用變頻調(diào)速技術(shù)，通過傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)模糊控制，使機(jī)械采油的效率在運(yùn)行過程中始終保持在最佳狀態(tài)，有效杜絕了抽油設(shè)備的空耗，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。同時變頻技術(shù)的利用使抽油機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動，設(shè)備選型更加合理，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
　　[關(guān)鍵詞]變頻柜，節(jié)能降耗，電機(jī)，生產(chǎn)參數(shù)
　　1論文前言
　　目前，我國變頻技術(shù)的發(fā)展十分迅速，在油田和工業(yè)領(lǐng)域里的應(yīng)用日益廣泛。油田生產(chǎn)變頻柜技術(shù)的原理是結(jié)合信息技術(shù)、模糊控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、傳感器技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)，使得油田開發(fā)過程中的抽油機(jī)能耗控制得到有效的控制。利用變頻調(diào)速技術(shù)，通過傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)模糊控制，使機(jī)械采油的效率在運(yùn)行過程中始終保持在最佳狀態(tài)，有效杜絕了設(shè)備的空耗，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的。同時變頻技術(shù)的利用使抽油機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動，設(shè)備選型更加合理。變頻技術(shù)的應(yīng)用適應(yīng)熱采區(qū)塊吞吐輪次高，地下參數(shù)變化大的生產(chǎn)特點(diǎn)，使得變頻技術(shù)在油田開發(fā)過程中具備了廣闊的推廣空間。
　　2變頻柜在油井節(jié)能增產(chǎn)工作原理
　　2.l工作原理。當(dāng)前在各種抽油機(jī)變頻柜中處理再生電能的方法有制動電阻、吸收電容、回饋制動等，其中較為先進(jìn)的方法是利用回饋制動的方式將這部分電能回饋電網(wǎng)。抽油機(jī)能量回饋智能變頻控制柜，在電動機(jī)驅(qū)動抽油機(jī)的狀態(tài)時由主變頻器從電網(wǎng)吸收電能，而在油井釋放能量狀態(tài)時由回饋?zhàn)冾l器將這部分能量變成與電網(wǎng)電壓同步同相位的正弦波經(jīng)過濾波后回饋電網(wǎng)，利用變頻控制柜+永磁電機(jī)配合使用，進(jìn)行節(jié)能改造經(jīng)實(shí)踐證明效果非常明顯，節(jié)電率高達(dá)30％一60％。
　　2.2增產(chǎn)原理。動態(tài)節(jié)能裝置通過輸入正常頻率、最小載荷、最高頻率、最低頻率，能夠根據(jù)實(shí)時采集載荷及示功圖進(jìn)行分析處理。在一個沖程內(nèi)采集的載荷大于最小載荷，抽油機(jī)按正常頻率運(yùn)行，如果采集的載荷小于最小載荷，變頻柜將在最高頻率和最低頻率之間分成多段運(yùn)行。對于上下不平衡油井，控制抽油機(jī)按不同的頻率運(yùn)行，達(dá)到上快、下慢的方式運(yùn)行，減少空抽，提高泵效，從而節(jié)約能源，提高原油產(chǎn)量。
　　2.3電動機(jī)節(jié)能原理。如果電動機(jī)運(yùn)行在額定負(fù)荷或額定負(fù)荷附近，則電動機(jī)屬于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。實(shí)際上，電動機(jī)以輕載運(yùn)行，即一般稱為“大馬拉小車”的情況是常見的。因此，電動機(jī)節(jié)能是不容忽視的重要問題。電動機(jī)運(yùn)行效率取決于電動機(jī)負(fù)荷率，國家標(biāo)準(zhǔn)GBl2497—1995規(guī)定，Y2系列(IP44)37kw/6極電動機(jī)的負(fù)荷率應(yīng)大于0.40：22kw6極電動機(jī)的負(fù)荷率應(yīng)大于0.46，此時電動機(jī)為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。對于不同功率的Y系列電動機(jī)，效率下降點(diǎn)也不同。一般情況下，效率和功率因數(shù)隨負(fù)荷率變化的曲線如圖l所示。把效率將要快速下降點(diǎn)q所對應(yīng)的負(fù)荷率稱為臨界負(fù)荷率β。當(dāng)負(fù)荷率β＞βa。時，效率的變化不大，這是由于電動機(jī)的可變損耗和不變損耗的對比關(guān)系所決定的，當(dāng)負(fù)荷率β(0.70時，功率因素下降很快。功率因素的低下不但使電動機(jī)本身能耗有所增加，而且給電網(wǎng)造成了附加損耗，降低了電網(wǎng)容量和變壓器設(shè)備的利用率。
　　從以上討論可以看出，只要負(fù)荷率β不低于βa，“大馬拉小車”的影響主要是降低功率因數(shù)。對于一般負(fù)荷(如風(fēng)機(jī)、水泵)，節(jié)能的關(guān)鍵是提高負(fù)荷率。如果將負(fù)荷率提高到0.70—0.80可以說是最佳運(yùn)行區(qū)間，沒有必要提高到1。一般工作在β＝0.70以上，功率因數(shù)就比較高。
　　3抽油機(jī)常規(guī)電動機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)
　　常規(guī)游梁式抽油機(jī)是機(jī)械采油的主要設(shè)備，約占機(jī)采井總數(shù)的75％。它工作時承受帶沖擊性的周期交變負(fù)荷。這一負(fù)荷特性要求驅(qū)動電動機(jī)在選擇容量時留有足夠的裕度，以保證帶載啟動時能克服抽油機(jī)較大的慣性矩，滿足啟動要求；在運(yùn)行時有足夠的過載能力，以克服交變載荷的最大扭矩。因此，電動機(jī)容量選擇就過大，負(fù)荷匹配不合理，大多數(shù)情況下電動機(jī)處于輕載狀態(tài)，負(fù)荷率一般為0.25．同時，電動機(jī)在一個沖次中還存在兩段發(fā)電狀態(tài)，一個沖次內(nèi)電動機(jī)電流如圖2b所示，在一個沖次內(nèi)其電壓、電流相量圖如圖3所示。在一個沖次內(nèi)，電流的大小及相位角φ總是變化的，相位有大于90°的情況，這段時間有功電流為負(fù)，為發(fā)電狀態(tài)，這已從理論上和現(xiàn)場實(shí)測得到證明。在現(xiàn)場實(shí)測中，采用兩種方法：一是接人三相電度表，在一個沖次內(nèi)有兩次電表反轉(zhuǎn)：二是用計算機(jī)采集電壓、電流的正弦波形，也清楚看出相位角甲大于90°的情況。發(fā)電情況與平衡有關(guān)，平衡效果越差，發(fā)電越多。平衡效果較好時，只有一次發(fā)電狀態(tài)。這種特殊負(fù)荷給電動機(jī)節(jié)能帶來很大難度。另外，抽油桿運(yùn)動時的慣性作用和彈性變形，使抽油機(jī)在上下死點(diǎn)產(chǎn)生沖擊，而普通Y系列電動機(jī)的機(jī)械特性是硬特性。在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷變化不大，抽油泵柱塞的實(shí)際行程由此變短，從而影響泵的充滿率，降低泵效，使整個游梁式抽油機(jī)的系統(tǒng)效率降低。
　　游梁式抽油機(jī)節(jié)能應(yīng)包括兩個方面：（1）從電動機(jī)本身考慮，就是提高電動機(jī)效率和負(fù)荷率，從而提高運(yùn)行效率和功率因數(shù)。提高電動機(jī)效率的潛力不大，能提高幾個百分點(diǎn)就很不容易而且是以提高電動機(jī)成本為代價的。因此，如果負(fù)荷率高于臨界負(fù)荷率，只要并上適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電容器就達(dá)到節(jié)能的目的。（2）從系統(tǒng)考慮，就是改變電動機(jī)的機(jī)械特性，使機(jī)、桿、泵整個系統(tǒng)達(dá)到較好的配合，提高系統(tǒng)效率。兩者比較，后者的節(jié)能潛力比前者大得多。因此，后者應(yīng)該是游梁式抽油機(jī)用電動機(jī)節(jié)能的主要研究方向。
　　4油田電動機(jī)節(jié)能情況
　　十多年來，技術(shù)人員在抽油機(jī)用電動機(jī)節(jié)能方面做了大量的研究工作，為油田的節(jié)能做出了很大貢獻(xiàn)。從抽油機(jī)載荷特性上看，其變化規(guī)律比風(fēng)機(jī)、水泵類的載荷復(fù)雜得多，這給研究工作帶來許多困難。
　　目前油田電動機(jī)節(jié)能主要分為三方面：（1）人為地改變電動機(jī)的機(jī)械特性以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷特性的柔性配合，從而提高系統(tǒng)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。這種方法主要是改變電源頻率。（2）從設(shè)計上改變電動機(jī)的機(jī)械特性(如高轉(zhuǎn)差電動機(jī)和超高轉(zhuǎn)差電動機(jī))，從而改善電動機(jī)與抽油機(jī)的配合，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能。（3）通過提高電動機(jī)的負(fù)荷率、功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。下面對油田普遍使用和正在試驗(yàn)的幾種電動機(jī)進(jìn)行分析。
　　4.1變頻調(diào)速電動機(jī)。變頻調(diào)速是一項(xiàng)成熟的節(jié)能技術(shù)，抽油機(jī)有兩種工作狀態(tài)：（1）電動機(jī)驅(qū)動機(jī)械設(shè)備運(yùn)動抽油機(jī)從電網(wǎng)吸收電能。（2）釋放能量(機(jī)械勢能，井下負(fù)壓，平衡塊勢能等原因)，由機(jī)械設(shè)備帶動電動機(jī)運(yùn)動，是一個發(fā)電的過程。就是說，抽油機(jī)在相當(dāng)長一段時間內(nèi)，要把勢能變?yōu)殡娔芑仞侂娋W(wǎng)。在不使用變頻器時，這個電能是直接回饋電網(wǎng)的，并沒有在本地設(shè)備上消耗掉。綜合表現(xiàn)為拍油機(jī)供電系統(tǒng)功率因數(shù)較低。但是在使用變頻器時，情況發(fā)生了變化。普通變頻器的輸入是二極管整流，能量不可反方向流動。上述這部分電能沒有流回電網(wǎng)的通路，會導(dǎo)致變頻器直流回路電壓升高而造成直流過壓保護(hù)，必須將這部分電能處理掉，這就是我們在抽油機(jī)變頻上必須使用制動單元或其他相關(guān)設(shè)備的原因。
　　這種方案是在普通電動機(jī)電源上加變頻器，降低了電動機(jī)的容量，負(fù)荷率得到較大提高，變頻器的輸入功率因數(shù)接近1，并且改變了上、下沖程的速比，也改善了抽油系統(tǒng)的配合。這種方案無論從電動機(jī)本身還是從系統(tǒng)配合上都達(dá)到了節(jié)能目的。發(fā)電時通過電阻回饋把發(fā)電能量放掉。另外，一次投入大，現(xiàn)場管理難度大，而且變頻器本身也有功率損耗(約5—8%，變頻器的諧波對電網(wǎng)有影響，并會使電動機(jī)附加損耗增大。
　　4.2稀土永磁同步電動機(jī)。上世紀(jì)90代初，大慶石油學(xué)院和西安石油學(xué)院對稀土永磁同步電動機(jī)進(jìn)行了研制和現(xiàn)場試驗(yàn)，收到了較好效果。這種電動機(jī)的轉(zhuǎn)子由磁鋼、稀土材料和啟動鼠籠組成。轉(zhuǎn)子損耗比普通異步電動機(jī)小得多，因此電動機(jī)本身的效率比普通Y系列電動機(jī)高約5％，功率因數(shù)達(dá)到0.9，其額定運(yùn)行時機(jī)械特性比Y系列電動機(jī)還硬，因此不能改善機(jī)、桿、泵系統(tǒng)配合，起不到系統(tǒng)節(jié)能的作用。相同功率的稀土永磁電動機(jī)比Y系列電動機(jī)成本大約高50％且啟動電流比Y系列電動機(jī)還大，啟動過程中，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩有振蕩。
　　4.3繞線式異步電動機(jī)。游梁式抽油機(jī)用電動機(jī)節(jié)能是一個非常復(fù)雜的問題，選擇方案時要考慮電動機(jī)效率、功率因數(shù)、系統(tǒng)增效、成本投入、可靠性及現(xiàn)場管理等問題。系統(tǒng)增效是指機(jī)、桿、泵整個系統(tǒng)效率提高的潛力：損失效率是指節(jié)能系統(tǒng)本身的損耗：啟動性能是指電動機(jī)啟動電流小，啟動轉(zhuǎn)矩大為好。
　　5論文結(jié)論
　　要進(jìn)一步提高游梁式抽油機(jī)的節(jié)能降耗效果，應(yīng)從改善現(xiàn)有電動機(jī)的機(jī)械特性入手，使其機(jī)械特性與抽油機(jī)的負(fù)載特性互相配合，在負(fù)荷較小時工作特性較硬，負(fù)荷變大時特性變軟，既可減小輕載時的轉(zhuǎn)差損耗，又可像超高轉(zhuǎn)差電動機(jī)那樣增大抽油泵柱塞行程，提高泵效，提高系統(tǒng)效率。
　　要達(dá)到此目的，最理想的是用頻敏材料制造電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組，但目前還未見有關(guān)研制成功頻敏效果較好(在00—50HZ內(nèi))材料的報道，一旦頻敏材料的研究取得突破，必將給電動機(jī)的制造和節(jié)能開創(chuàng)新的途徑。另一方面是研制四象限變頻器，這樣就可以把電動機(jī)發(fā)電狀態(tài)所發(fā)的電回饋電網(wǎng)。國外已有此類產(chǎn)品，但價格很高。國內(nèi)有些單位也在做這方面的工作。
　　盡管我們在游梁式抽油機(jī)電動機(jī)節(jié)能方面做了大量工作，但要解決的問題還是很多，電動機(jī)節(jié)能情況不太理想，還需設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)和油田生產(chǎn)企業(yè)做出更多的努力。
　　參考文獻(xiàn)：
　　1、郭登明,艾薇,楊菁,錢彥嶺,季賓;抽油機(jī)變頻變壓節(jié)能控制器的設(shè)計[J]江漢石油學(xué)院學(xué)報;2002年04期
　　2、鄭鋼銳,梁士軍;節(jié)能型抽油機(jī)控制箱的現(xiàn)狀和發(fā)展[J]應(yīng)用能源技術(shù);2000年03期
　　3、穆海軍，基于PLC的抽油機(jī)變頻控制柜的研究《科學(xué)技術(shù)與工程》2010年22期