1、幾種抽油機節能裝置節能效果及性能比較一、概述 自從多年前， 以燃燒石油制品為動力的機器誕生以來， 對石油的需求量飛速增 長，也為石油工業的發展提供了契機。 隨著采油業的發展， 產生了被廣泛使用的油井舉升設 備 抽油機。 抽油機的種類繁多， 技術發明有數百種。 從采油方式上可分為兩類，即有桿 類采油設備和無桿類采油設備。 有桿類采油設備又可分為抽油桿往復運動類 （國內外大量使 用的游梁式抽油機和無游梁式抽油機）和旋轉運動類（如電動潛油螺桿泵）。 無桿類采油設 備也可分為電動潛油離心泵，液壓驅動類（如水力活塞泵）和氣舉采油設備。我國的油田不像中東的油田那樣有很強的自噴能力， 多為低滲透的低能、 低

2、產油田， 大 部分油田要靠注水壓油入井， 再用抽油機把油從地層中提升上來。 以水換油或者以電換油是 我國油田的現實，因而， 電費在我國的石油開采成本中占了相當大的比例， 所以， 石油行業 十分重視節約電能。 目前，我國抽油機的保有量在萬臺以上， 電動機裝機總容量在，每年耗 電量逾百億。抽油機的運行效率特別低， 在我國平均效率為，而國外平均水平為， 年節 能潛力可達幾十億 。除了抽油機之外，油田還有大量的注水泵、輸油泵和潛油泵等設備， 總耗電量超過油田總用電量的，可見，石油行業也是推廣 “電機系統節能 ”的重點行業。抽油機節能包括節能型抽油機和抽油機節能電控裝置的研制與推廣兩個方面，對此兩大技術

3、的研究方興未艾。介紹和宣傳的文章很多，眾說紛紜，莫衷一是。廠家的產品性能介紹亦有 “王婆賣瓜 ”之嫌。 因此， 有必要將目前常見的幾種類型的抽油機節能電控裝置作一個科 學的分析比較， 以供用戶選用時參考。 在全國各油田進行試驗或已投運的節能電控裝置不下 數十種之多，大體上可以分為以下幾個類型，下面分別加以討論。二、間抽控制器 由于抽油機是按照油井最大化的抽取量來進行選擇的， 并且還留有 設計余量。另外，隨著油井由淺入深的抽取，井中液面逐漸下降，泵的充滿度越來越不足， 直到最后發生空抽的現象，如果不加以控制，就會白白地浪費大量的電能。對于這種油井， 最簡單的方法是實行間抽， 即當油井出液量不足或

4、發生空抽時， 就關閉抽油機， 等待井下液 量的蓄積， 當液面超過一定深度時， 再開啟抽油機，這樣就提高了抽油機的工作效率， 避免 了大量的電能浪費。間抽控制的原始做法是派人定時到油井去開停抽油機， 即使在發達國家， 目前也還有不 少油井采用這種人工控制方式， 以便解決抽油機的低效和浪費問題。 這種做法每天要派人去 井場操作好幾次， 經過長期試驗才能摸索出適合各油井的間抽規律， 費工費時。 于是就引入 了定時鐘，只須設定開、停機時間，便能自動地進行間抽控制，但是，這仍然無法解決令抽 油機的業務水平動態地響應油井負荷的變化， 以達到最佳的節能效果， 同時， 還有可能會影 響油井的產量。為了解決上述

5、問題， 通過安裝相關的傳感器， 精確感知油井負荷的動態變化， 實現智能 間抽控制。為此，可采用各種不同的傳感器達到控制目的，下面分別予以介紹。液面探測器： 如果能直接測出井中的液面， 那么就可以用它來控制抽油機的運行。 當液 面高度超過泵時，就啟動抽油機。當液面降到泵的吸入口處時，就關閉抽油機，避免空抽的 發生。早期的方法是使用永久式的井下壓力傳感器來檢測液面，現代則是利用聲波裝置從地面上自動監測井下液面深度，但是，由于裝置復雜，維修費用高而沒有得到普及。流量傳感器： 在井口通過流量傳感器檢測油井的出液量， 是實現抽油機控制最直接， 也 是最有效的方法。 但是， 由于國內的油井產量太低， 有些

6、油井的產量每天只有幾， 甚至不足， 合。這么小的流量檢測， 對于各種類型的流量傳感器來講都是一個難題， 再加上井中采出的 油液中含有大量的泥沙和蠟塊，經常會發生堵塞現象，因而也未能獲得推廣應用。電流傳感器：應當說，電機電流的檢測是最方便、最可靠，也是最為廉價的方法。當發 生空抽時， 下沖程開始時游動閥并沒有打開， 光桿載荷為桿柱重量及游動閥上部液柱的重量 之和， 可平衡掉大部分的配重的重量， 電動機只要用很小的能量就可將桿柱送入井底， 電機 電流較小。 當油井中泵的充滿度較高時， 下沖程開始不久，游動閥即打開， 泵中液面托住了 游動閥上部的液柱重量， 并且使抽油桿柱也浸沒在液體中， 因而光桿載

7、荷只是桿柱在液體中 的浮重，這也就意味著電機將用較大的能量來舉起曲柄或游梁尾部的平衡塊的重量才能將桿 柱送入井底，因而電流就較大。抽油桿載荷傳感器： 普遍采用的方法是通過特制的傳感器， 對抽油機的光桿載荷進行檢 測，因為光桿載荷是井下泵運行情況的最好監視器， 并且它不受平衡配重的影響。 泵的充盈 系數（包括空抽）通過對抽油桿載荷的分析可以很容易地被檢測出來。 另外，更重要的是抽 油桿載荷數據， 加上抽油桿位置的信息， 正是分析井下工況的 “示功圖 ”的必備數據， 利用這 些信息可對抽油機的運行情況進行全面的分析。 在光桿或游梁上安裝測力傳感器可以測出抽 油桿的載荷數據。 光桿測力傳感器比較準確

8、， 但易于損壞。 安裝在游梁上的傳感器準確度比 較低，但比較耐用。三、電動機星三角轉換節能 由于抽油機的功率檔次有限， 而每一口油井的參數都不 一樣， 在選配抽油機時， 不可能做到量體裁衣，剛好和抽油機的功率檔次相匹配， 一般留有 一定的功率裕量。 各型抽油機在配用電動機時， 為了保證抽油機在各種工況下正常運行， 也 留有一定的功率余量。 隨著油井由淺入深的抽取， 油井的產液量越來越少， 抽油機的負荷也 相應減小。 由于上述原因， 就造成了抽油機的實際負載率普遍偏低， 大部分抽油機的負載率 在之間，最高也不會超過，形成大馬拉小車的現象。而當電動機處于輕載運行時， 其效率和功率因數都較低， 此時

9、若適當調節電動機定子的端電壓， 使之與電動機的負載率合 理匹配，這樣就降低了電動機的勵磁電流， 從而降低電動機的鐵耗和從電網吸收的無功功率， 可以提高電動機的運行效率和功率因數，達到節能的目的。由于低壓電動機在正常工作時，定子三相繞組是接法，這樣每相繞組承受的線電壓， 電動機可產生額定的輸出機械功率。 電動機的轉矩是與電壓的平方成正比的， 當電動機輕載 （負載率< %）時，可以將電動機的繞組由接法改成接法，使每相繞組只承受的電壓，電 動機的轉矩也就僅為額定轉矩的。當負載率> %時，再將電動機繞組改為接法運行，否則，會因電流過大而燒毀電動機。電動機在進行轉換時會產生沖擊電流。接法轉換

10、的實現一般采用交流接觸器實現， 也可以通過晶閘管開關實現， 兩種方法在 節能效果上并無差異， 而轉換控制電路如何準確掌握轉換時的負載率則會對節能效果產生較 大的影響。當負載率B<%時，不能及時進行At切換，則會影響節能效果，而當負載率3> % 時，不能及時進行t切換，則會使電流過大，銅耗增加，反而費電，同樣影響節能效果。 為了不使轉換頻繁發生，一般在轉換點的負載率之間設置一定的回差，通常采用負載率%時進行At轉換，而當 3>%，進行t轉換。四、晶閘管相控調壓節能 （） 一般而言，磕頭式抽油機均普遍存在抽取能力大于油 井實際負荷的問題。 因此， 泵空或空撈現象便相伴而生。 泵空

11、增加無效行程， 浪費大量電能， 同時也使抽油設備的維護費用提高。 內部主要由相控電機節電器及保護單元、 控制回路等部 分組成， 其核心部分是相控電機節電器， 相控電機節電器將最新智能可編程軟件固化在微處 理器上，通過先進的電子線路對負載電機進行實時檢測與跟蹤，實時控制晶閘管（可控硅） 的導通角， 在百分之一秒以內提供電機最適宜的工作電壓與電流， 使電機的輸出功率與實時 負載剛好匹配， 從而有效地降低電機的功率損耗， 改善電機起動、 停機性能，達到節電的效 果。相控調壓節電器適用于各類處于輕載或變負載運行狀態下抽油機電機節能控制，不改變抽油機的上下行程和運行速度， 在不減少抽油量的前提下實現節能

12、效果。 相控節電器配備了 軟啟動功能， 可以大大降低電機的啟動電流， 減少沖擊電流對電機絕緣的破壞、 降低電機運 行溫度、減少電機的維護量、延長使用壽命。相控節電器對抽油機電機實時監控負載變化、匹配輸入電機所需電能， 大大減少電機本體的發熱、振動、噪音和鐵磁損耗，有效改善電機的運行條件。基于相控節電技術的電機節電器全自動智能化節電，無需人工調節，節電率效果比較明顯，不改變電機原有轉速，不影響抽油機采油量，串聯于抽油機電機前端， 安裝使用簡捷易用，具有軟啟動，動態跟蹤負載，調節用電設備輸入功率，提高用功功率等功能，可有效地 保護電機及機械設備，設備運行平穩、可靠，是抽油機節能改造的最佳技術指導文

13、件。油田抽油機節能控制柜就是基于相控節電技術，專門針對油田抽油機運行效率低、能源浪費嚴重而推出的新一代油田節能產品，目前在國內許多油田已經得到認可和廣泛應用。五、 無功就地補償節能交流異步電動機的無功就地補償就是將補償電容器組直接與電動機并聯運行，電動機啟動和運行時所需的無功功率由電容器提供，有功功率則仍由電網提供，因而可以最大限度地減少拖動系統對無功功率的需求，使整個供電線路的容量及能量損耗、導線截面、有色金屬消耗量， 以及開關設備和變壓器的容量都相應減小，而供電質量 卻得以提高。無功就地補償只對長期空載或輕載運行的電動機有用，對于重載運行的電動機， 因為其本身功率因數較高，沒有補償的必要。

14、由于抽油機大部分處于輕載運行的狀況，且由于其分散性，低壓輸電線路較長，本身功率因數又偏低，無功就地補償的效果較好。對于抽油機這樣的負載，負載頻繁變化，沒有必要采用自動投切的電容器組補償，這樣會增加成本，降低可靠性，是得不償失之舉。只要根據電機容量及平均負載率，選配適當容量的電容器進行固定補償就行了，既經濟又實用。目前，由于市售的補償電容器質量都不好，壽命都不長，因 此，應當選用質量較好的自愈式電容器，并有自放電電路的產品。六、超高轉差率多速電動機抽油機由于其特殊的運行要求，所匹配的拖動裝置必須同時滿足三個最大的要求，即最大沖程，最大沖次，最大允許掛重。另外，還須具有足夠的堵轉轉矩，以克服抽油機

15、啟動時嚴重的靜態不平衡。因此，往往抽油機在設計時確定的安裝容量裕度較大。如型抽油機配，型抽油機配 等。世紀年代中分別引進國外超高轉差電動 機和超高轉差多極電動機技術，對抽油機拖動裝置進行了大量的科學實驗，測試和分析，證明抽油機匹配超高轉差率多速節能電動機拖動裝置具有一定的節能效果。降低抽油機拖動裝置的安裝容量裕量就是一個節能體現。由于所匹配功率下降，其對應的額定電流相應下降。網絡及電機繞組的銅耗與電流平方成正，電流的下降自然帶來了損耗的降低而達到節能。拖動裝置軟的機械特性造就了抽油機運行過程中電動機功率的有功分量 和無功分量的變化，促使輸入功率的降低。抽油機固有的設計及運行特點與現場實際運行工

16、況相比，不可避免地出現了大馬拉小車的不合理匹配。抽油機維持在點的負載，在現場從未出現過，絕大部分負載在電動機額定功 率（指輸出功率）左右。對普通電動機而言，如此運行，其效率和功率因數特低。對 超高轉差率多速電動機來講，由于曲線平坦，n及2在負載變化情況下，其值變化不大，從而相對來講其 n及"高于普通電動機，致使有功功率降低，功率因數提高。因此，就節 能而言，抽油機匹配超高轉差電動機是合理的。當然，轉差率的高低，機械特性的軟硬是否越高越好、越軟越好？對于這一問題，我們認為新技術的成立與否是通過生產實踐驗證的。 轉差率高低，機械特性軟硬均應適度，否則對其實用性、可靠性帶來不利影響。超高轉

17、差率多速電動機軟的機械特性造就了抽油機懸點最大負荷降低，抽油泵上行速度緩慢，抽油桿的彈性變形減小，從而使抽油泵的填充系數增加，吸液量增大，每沖次來油量增加，使單位液耗電能降低，具有一定的節能效果。七、變頻器調速節能當油井的地下滲透能力小于抽油機的泵排量時（絕大多數油井如此），為了提高抽吸效率，降低單位產量的能耗指標，最直接的辦法是實行間抽。但是大多數的油井是不允許間歇性工作的，因為如果長時間停機的話，輕則會影響產油量，重則會 使油井無法再開啟。 這是因為： 含蠟量高或含鹽量高以及油的粘稠度高， 且地處高寒地區的 油井，如果間歇工作，會造成井口結蠟、結鹽或結油的后果，使油井無法再開啟。對于注水

18、油井，如果停止抽取，勢必會影響產油量，這將是得不償失的事，對于這類油井，就要采用 其它的節能方法。為了使抽油泵的排量與油井的滲透能力相適應， 可以通過改變抽油機的電動機轉速來實 現。抽油泵是一種柱塞泵， 對電動機來講是一種恒轉矩性的負載， 也即電動機的電功率與其 轉速成正比。這里要提醒注意的一點是: 有人一說到泵，就想當然地認為和風機、水泵一樣屬于平方轉矩型負載了， 或者說 “近似于泵類負載 ”，這都是錯誤的。 要知只有葉片式的風機 和水泵，在不計其靜扭矩時，有近似于平方轉矩的負載特性，也即：排量與轉速成正比，壓 頭（或揚程）與轉速的平方成正比，而軸功率則與轉速的立方成正比。隨著現代電力電子技

19、術的發展， 低壓變頻器已是十分成熟的電氣產品， 并且其價格也已 經大幅度下降，目前進口變頻器的價格約為元。國產變頻器的價格在元，在抽油機上大量推廣變頻調速節能改造已經成為可能。 抽油機改用變頻器拖動以后有幾個好處： 可根據油 井的實際供液能力，動態調整抽取速度，一方面達到節能目的，同時還可以增加原油產量。 由于實現了真正的軟起動，對電動機、變速箱， 抽油機都避免了過大的機械沖擊，大大延長 了設備的使用壽命， 減少了停產時間， 提高了生產效率。 大大提高了功率因數 （可由原來的 提高到以上），從而大大減少了供電電流，減輕了電網及變壓器的負擔，降低了線損，挖掘 出大量的 “擴容 ”潛力。但是，將變

20、頻器用于抽油機拖動時，也有幾個問題需要解決，主要是 沖擊電流問題和再生能量的處理問題，以下加以分析。、沖擊電流問題游梁式抽油機是一種變形的四連桿組織， 其整機結構特點像一架天平， 一端是抽油載荷， 另一端是平衡配重載荷。 對于支架來說， 如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一 致，那么用很小的動力就可以使抽油機連續不間斷地工作。 也就是說抽油機的節能技術取決 于平衡的好壞。 在平衡率為時電動機提供的動力僅用于提起液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低， 則需要電動機提供的動力越大。 因為抽油載荷是每時每刻都在變化的， 而平衡配 重不可能和抽油載荷作完全一致的變化， 才使得游梁式抽油機的節能技

21、術變得十分復雜。因此，可以說游梁式抽油機的節能技術就是平衡技術。據筆者對某油田口井的調查， 有口井配重偏大， 從而造成過大的沖擊電流， 沖擊電流與 工作電流之比最大可超過倍， 甚至超過額定電流的倍！ 不僅浪費掉大量的電能， 而且嚴重威 脅到設備的安全。 同時， 也給采用變頻器調速控制造成很大的困難， 一般變頻器的容量是按 電動機的額定功率來選配的，過大的沖擊電流會引起變頻器的過載保護，不能正常工作。通過對抽油機曲柄配重塊的調整， 可以使沖擊電流降到電機額定電流之內， 沖擊電流與 正常工作電流之比在倍以內。 這樣， 選用與電機額定功率同容量的變頻器， 甚至略小于電機 額定功率的變頻器 （要視抽油

22、機電動機的負載率而定） 都可以長期穩定運行。 由于抽油機的 起動扭矩往往很大，慣性也很大，所以要將變頻器的加減速時間設置得足夠長，一般為， 才不致在起動時引起過載保護。、再生能量的處理問題由于抽油機屬位能性負載， 尤其當配重不平衡時， 在抽油機工作的一個沖程中， 會出現 電動機處于再生制動工作狀態 （發電狀態） ，電動機由于位能或慣性， 其轉速會超過同步速， 再生能量通過與變頻器逆變橋開關器件 （）并聯的續流二極管的整流作用， 反饋到直流母線。 由于交 直交變頻器的直流母線采用普通二級管整流橋供電， 不能向電網回饋電能， 所以 反饋到直流母線的再生能量只能對濾波電容器充電而使直流母線電壓升高，

23、稱作“泵升電壓”。直流母線電壓過高時將會對濾波電容器和功率開關器件構成威脅，為了保護電容器及 功率開關器件的安全，所以，變頻器都設置了直流母線電壓高保護停機功能。第一種辦法是增大變頻器直流母線上濾波電容器的容量， 將再生能量儲存起來， 等電動 狀態時再釋放給電動機作功。 這種方法對節能有利， 但是電容器的儲能作用是有限的， 在大 容量或者負載慣量大的系統中，不可能只靠濾波電容器來限制泵升電壓。第二種辦法是采用 “放 ”的辦法， 可以采用由分流電阻器和開關管組成的泵升電壓限制電 路。也就是將回饋能量消耗在電阻上，這是一種耗能的方法， 對節能不利。 尤其是在大容量 或者大慣量拖動系統中，能量的損失

24、較大。第三、 對于地處北方寒冷地區的抽油機， 為了在冬季增加原油的流動性和防止結蠟， 而 對井口回油管進行電加熱， 如采用中頻加熱裝置。 這時也可將變頻器與中頻電加熱裝置共用 整流電路及直流母線， 這樣可將電動機回饋到直流母線上的再生能量用于中頻加熱器， 同時 又防止了直流母線電壓的泵升。第四、對于同一井場上有多口油井的場所，可以采用共用直流母線系統技術指導文件， 即若干臺抽油機的變頻器可共用一臺整流器， 將其直流母線聯結在一起， 利用各變頻器的回 饋能量不可能在同時發生的原理， 將某一臺變頻器的回饋能量作為其他變頻器的動力。 這樣 即節約了能量，又防止了泵升電壓的產生。第五、對于更大功率的系

25、統，為了回饋再生能量，提高效率，可以采用能量回饋裝置， 將再生能量回饋電網，當然這樣一來，系統就更復雜，投資也就更高了。所謂的能量回饋裝 置，其實就是一臺有源逆變器。、電磁兼容性問題 這里主要講電磁干擾（）問題，即變頻器對微電腦控制器，傳感（變送）器及通信設備 的干擾問題。變頻器是一個很強的電磁騷擾源，變頻器中的開關器件， 以及電壓波形， 會對 控制及通信系統造成很大的干擾。干擾的途徑，除了感應、輻射之外，還包括傳導干擾，即 通過連接導線傳導的干擾。 在控制系統中， 變頻器只是一個執行組織， 它的運行頻率 （速度） 指令由控制器通過對油井液量等信號的控制運算后給予， 變頻器就通過控制信號線， 給微電 腦控制器造成了很大的干擾， 以致使控制器無法正常工作。 因為是傳導性干擾， 采用屏蔽線 是不解決問題的， 要從信號線上的共模及差模干擾入手， 采用共模與差模濾波器， 才能解決 干擾問題。、閉環控制的采樣問題 抽油機利用變頻器調速，