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关 键 词: 抽油机 、 节能 、 电控装置
Abstract: This paper introduces a few type power control device for pumping Jack, compares the advantages disadvantages and efficiency for energy-saving. It also points out development tendency.
1 引言
自从一百多年前，以燃烧石油制品为动力的机器诞生以后，对石油的需求量飞速增长，也为石油工业的崛起提供了发展契机。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种: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，该系统由三部分组成:一是地面部分—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，图1中:1—电动机;2—减速器;3—四连杆;4—抽油杆柱;5—油管;6—套管;7—抽油泵;8—游动阀;9—固定阀。详细结构见图2，图2中: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。二是井下部分—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;三是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。
我国的油田多为低渗透的低能、低产油田，不像中东的油田那样有很强的自喷能力，大部分油田要靠注水来压油入井，再靠抽油机把油从地层中提升上来。以水换油，以电换油是目前我国油田的现实，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%，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。
抽油机节能，主要分为节能型抽油机的研制和抽油机节能电控装置的研究推广两个方面，对此两大技术的研究正方兴未艾。介绍和宣传的文章也很多，说法莫衷一是，有失偏颇，不够公允。厂家的产品性能介绍则更加离谱，有“王婆卖瓜”之嫌，无客观科学之实。因此也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，还其客观真实性，也可作为用户选用时的参考。在全国各油田进行中试或已投运的节能电控装置不下数十种之多，大体上可以分为五种类型，下面分别加以讨论。
2 间抽控制器(POC)
由于抽油机的设计能力是按照油井最大化的抽取量选择的，一般留有采油能力的设计余量。另外，随着油井由浅入深的抽取，井中液面逐渐下降，泵的充满度越来越不足，直到最后发生空抽的现象，如果不加以控制，就会白白地浪费大量的电能。对于这种油井，最简单的方法是实行间抽:当油井出液量不足或发生空抽时，就关闭抽油机，等待井下液量的蓄积，当液面超过一定深度时，再开启抽油机进行抽吸，这样就提高了抽油机的工作效率，避免了大量的电能浪费。
间抽控制器的优点和经济效益是显而易见的:
(1) 大大减少了能量消耗
由于缩短了抽油时间，大大减少了能量消耗。在用人工和时间定时控制间抽时，由于惟恐减产，因此几乎都会造成实际抽油时间比必要的抽油时间长，因而不能完全避免空抽。通过传感器信号实现闭环控制的智能间抽控制器(IPOC)，在检测到空抽时立即关闭抽油机，避免了空抽的发生，平均可多节约能量20~30%。
(2) 产量增加
相对于人工间抽和时间定时间抽来讲，智能间抽控制由于达到了较低的平均液面，增加了产量。因为较低的液面意味着较低的井底流压，结果较多的液体流入井底，通常可增产1-4%。
(3) 降低维修费
可使井下和地面设备的维修费用减少25~30%，主要是由于消除了液击现象。另外，通过IPOC装置可提前探测到油井故障，从而进一步减少了所需的修井作业量。
(4) 增加了遥测、遥控功能
使用微电脑技术的IPOC装置大大增加了抽油系统的性能信息检测数据，为抽油机的遥控遥测及集中控制创造了条件。
3 软起动、调压节能型
由于抽油机的功率档次有限，如30KN、60KN、80KN、100KN等，而每一口油井的参数都不一样，在选配抽油机时，一般留有一定的功率裕量;各型抽油机在配用电动机时，为了保证抽油机在各种工况下正常运行，也留有一定的功率余量;随着油井由浅入深的抽取，油井的产液量越来越少，抽油机的负荷也相应减小。由于上述原因，就造成了抽油机的实际负载率普遍偏低，大部分抽油机的负载率在20~30%之间，最高也不会超过50%，形成大马拉小车的现象。而当电动机处于轻载运行时，其效率和功率因数都较低，此时若适当调节电动机定子的端电压，使之与电动机的负载率合理匹配，这样就降低了电动机的励磁电流，从而降低电动机的铁耗和从电网吸收的无功功率，可以提高电动机的运行效率和功率因数，达到节能的目的。
3.1 星/三角转换降压节能
星形/三角形接法的实现一般采用交流接触器实现，也可以通过可控硅开关实现，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。为了不使转换频繁进行，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 可控硅软启动，调压节电
由单片机控制改变串联在电动机定子主回路中的可控硅的导通角β，即可以改变加在定子绕组上的端电压的大小，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，且由于可控硅的移相作用，会产生大量的谐波，对电网、电机以及通讯控制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。
对于电动机降压节电的有关计算和校验，中华人民共和国国家标准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，否则当负荷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。这里必须着重提出: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，才能使降压运行中的电动机的效率得到提高而节能。
经过各种检验计算，电动机降压后的电压最小值的范围大致为(0.56~0.27)UN。且以上数据是以正弦波电压计算的，若考虑到可控硅调压所产生的谐波，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:额定功率PN=1600kW，额定电压UN=6.0kV，额定电流IN=185A，额定转速nN=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ηN=94.49%，额定功率因数cosψ=0.879。电动机额定负载时的有功损耗ΣPN=93.3KW，电动机的空载损耗P0=29.6KW，空载电流I0=46.25A，电动机带额定负载时的无功功率QN=918Kvar，电动机的空载无功功率Q0=480.6Kvar。
由表1可见，电动机降压节能，首先并主要节省的是无功功率，提高了功率因数，对供电网有利。有功节电主要节省的是电动机自身损耗的一部分，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GB12497-1995的规定，综合节电为△P+Kq△Q，其中Kq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中第七栏综合节电率的计算应为表中第五栏的数据除以当时的负载功率与第六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(度)数，这是错误的。
由表1可见，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PN×2.22%=35.52KW，而应当为β=0.4时的负载功率PN×0.4加上电动机当U=UN时的功率损耗ΣPN=72.83KW，来乘以综合节电率2.22%，即(1600×0.4+72.83)×2.22%=15.8KW。有些制造商也常常用这一模糊概念欺骗用户，应加以注意。
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，其效果究意如何？由于电动机的转矩与所加电压的平方成正比，所加的电压降低了，电动机的转矩达不到负载的起动转矩时，电动机是转不起来的，而且电动机的堵转转矩一般小于额定转矩，降压对起动就更加不利了。当电压升到额定电压的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。所以星/三角起动器只适合起动转矩小于三分之一额定转矩的负载，一般的软起动器也只适合起动转矩小于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。
上面的分析仅仅局限于对减小起动电流的讨论，对需重载起动的负载，虽然使用软起动器并不能达到减小起动电流的目的，当然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，同样可以达到减小机械冲击的目的。所以对于抽油机来讲，使用软起动器来起动，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，可以通过调整可控硅的导通角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。这时调整可控硅的导通角β，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的无功功率需求，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，选配一只适当容量的电容器进行固定补偿就行了，既经济又实用。由于目前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，并有自放电回路的产品。