迫 乙与柱芾Ｊ应用２０１２，３９（４） 电机系统节能ＥＭＣＡ 国内外油田抽油机各种节能方案的分析 张选正 （索肯和平（上海）电气有限公司，上海摘２０１９０８） 要：介绍了抽油机的负荷特点，分析了１０种常见的节能方案，为用户在选择油田抽油机时，可按生 产的需要、经济实力大小、工艺参数变化、技术力量状况等进行合理选取。 关键词：抽油机；负荷特点；节能 中图分类号：ＴＭ ３文献标志码：Ａ文章编号：１６７３—６５４０（２０１２）０４－００１１－０３ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ－Ｓａｖｉｎｇ Ｓｃｈｅｍｅ ａｔ Ｈｏｍｅ ａｎｄ Ａｂｒｏａｄ ｆｏｒ Ｐｕｍｐｉｎｇ Ｕｎｉｔ ｉｎ Ｏｉｌ Ｆｉｅｌｄ ＺＨＡＮＧ Ｘｕａｎｚｈｅｎｇ （Ｓｏｌｅｏｍ＆Ｈａｐｎ（Ｓｈａｎｇｈａｉ）Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１９０８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｌｏａｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｍｐｉｎｇ ｕｎｉｔ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ １０ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｃｕｓｔｏｍｅｒｓ ｗｉｔｈ ｈｅｌｐ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｕｍｐｉｎｇ ｕｎｉｔ ｉｎ ｏｉｌ ｆｉｅｌｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｕｍｐｉｎｇ ｕｎｉｔ；ｌｏａｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ 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。 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 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。 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 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， ２０％一３０％），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％一２０％）。这是一种较为合适的方 法。 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 （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 度（一２０～５Ｏ℃），与含水分比例等因素有关。溢 电机系统节能ＥＭｃＡ 迫扎与控弗ＩＪ应闸２０１２３９（４） ，境，冬夏温差可达５０～６０ ｃｃ，对使用器件质量要 冲次的作功，按液面状态相应连续调整油泵下行 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。 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， 总之，抽油机上升或下降，恒速传动方式既浪 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 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。 泵效率提高，产油量提高，并有效节电９３０％。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。 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 节态与原态泵效对比 ／ 泵径３２ ｍｍ 泵效 ｒ★＿．ｒ★—★－． ｔ ｎ ★＿．ｎ ★★ ．◆＼ Ｑ混合液量 ．— 一一一一一一一－＼－一一一一一一一一一●—’＿ 一－／．． ＼．Ｈ ｌＮ冲次 Ｉ Ｉ ＩＩ Ｉ ＩＩ Ｉ ＩＩ ｌ ＩＩ Ｉ ＩＩ Ｉ ｔ图１ 节态运行与原态运行的比较 ∞踟 鲫如∞如加 ％％％％％％％％％ ０日 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 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。 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。 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。 （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这个环节，所以 （６）深川公司（与日本合资）的动态调压方 案。 往往要产生过压、过流，这对滤波电容器很不利。 一ｌ２一 电札西控芾Ｊ应用２０１２，３９（４） 电机系统节能 ＥＭＣＡ 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。 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 Ａ／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 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 样，合起来的总节电量肯定比一套的大，有可取之 处。 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 （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 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 。 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。 （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 ３ 结 语 抽油机量大，既是耗电大户，又是节电重点。 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Ｐ 、０．７５ Ｐ 、０．５ Ｐ ，其中Ｐ 为额定功 率。这种电机已有河南新乡市豫通电机厂能生 十几年来各种节电方案层出不穷，各有利弊。油 田可按上述介绍的１０种方案，按生产的需要，经 济实力大小，工艺参数变化，技术力量状况等进行 合理选取。 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Ａ／Ｙ自动切换节电方案。 般１８．５ ｋＷ以上的异步电机，在３８０ Ｖ电 一【参考文献】 ［１］ 张选正，史步海．特种电动机调速控制技术及应用 ［Ｍ］．广州：华南理工大学出版社，２０１０． 收稿日期：２０１１—１０—２１ 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 （上接第７页） 子超高效率三相异步电动机技术条件和ＹＺＴＥ３ 系列铸铜转子超高效率三相异步电动机技术条件 的国家标准。 【参考文献】 ［１］ＧＢ／Ｔ ２２７２２－－２００８ ＹＸ３系列（ＩＰ５５）高效率三相 异步电动机技术条件（机座号８０—３５５）［ｓ］． ［２］ ＩＥＣ ６００３４—３Ｏ＿２０ｏ８ 单连、三相笼型感应电动机 的能效分级［Ｓ］． 收稿日期：２０１ｌ一１０—１８ —１３—
