抽油機節能電控裝置綜合分析

2 間抽控制器（POC）

由于抽油機是按照油井最大化的抽取量來(lái)進(jìn)行選擇的，并且還留有設計余量。另外，隨著(zhù)油井由淺入深的抽取，井中液面逐漸下降，泵的充滿(mǎn)度越來(lái)越不足，直到最后發(fā)生空抽的現象，如果不加以控制，就會(huì )白白地浪費大量的電能。對于這種油井，最簡(jiǎn)單的方法是實(shí)行間抽，即當油井出液量不足或發(fā)生空抽時(shí)，就關(guān)閉抽油機，等待井下液量的蓄積，當液面超過(guò)一定深度時(shí)，再開(kāi)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(shí)到油井去開(kāi)停抽油機，即使在發(fā)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(wèn)題。這種做法每天要派人去井場(chǎng)操作好幾次，經(jīng)過(guò)長(cháng)期試驗才能摸索出適合各油井的間抽規律，費工費時(shí)。于是就引入了定時(shí)鐘，只須設定開(kāi)、停機時(shí)間，便能自動(dòng)地進(jìn)行間抽控制，但是，這仍然無(wú)法解決令抽油機的工作能力動(dòng)態(tài)地響應油井負荷的變化，以達到最佳的節能效果，同時(shí)，還有可能會(huì )影響油井的產(chǎn)量。

為了解決上述問(wèn)題，通過(guò)安裝相關(guān)的傳感器，精確感知油井負荷的動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現智能間抽控制（IPOC）。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。

2.1 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(lái)控制抽油機的運行。當液面高度超過(guò)泵時(shí)，就啟動(dòng)抽油機；當液面降到泵的吸入口處時(shí)，就關(guān)閉抽油機，避免空抽的發(fā)生。早期的方法是使用永久式的井下壓力傳感器來(lái)檢測液面，現代則是利用聲波裝置從地面上自動(dòng)監測井下液面深度，但是，由于裝置復雜，維修費用高而沒(méi)有得到普及。

2.2 流量傳感器

在井口通過(guò)流量傳感器檢測油井的出液量，是實(shí)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(chǎn)量太低，有些油井的產(chǎn)量每天只有幾m³，甚至不足1m³，合10cm³/s。這么小的流量檢測，對于各種類(lèi)型的流量傳感器來(lái)講都是一個(gè)難題，再加上井中采出的油液中含有大量的泥沙和蠟塊，經(jīng)常會(huì )發(fā)生堵塞現象，因而也未能獲得推廣應用。

2.3 電機電流傳感器

應當說(shuō)，電機電流的檢測是最方便、最可靠，也是最為廉價(jià)的方法。當發(fā)生空抽時(shí)，下沖程開(kāi)始時(shí)游動(dòng)閥并沒(méi)有打開(kāi)，光桿載荷為桿柱重量及游動(dòng)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(dòng)機只要用很小的能量就可將桿柱送入井底，電機電流較??；當油井中泵的充滿(mǎn)度較高時(shí)，下沖程開(kāi)始不久，游動(dòng)閥即打開(kāi)，泵中液面托住了游動(dòng)閥上部的液柱重量，并且使抽油桿柱也浸沒(méi)在液體中，因而光桿載荷只是桿柱在液體中的浮重，這也就意味著(zhù)電機將用較大的能量來(lái)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。

在下沖程時(shí)設置一個(gè)設定值，當發(fā)生空抽時(shí)，實(shí)際電流將降至此值以下，控制器就關(guān)閉抽油機。也可通過(guò)電機的平均電流進(jìn)行檢測，從實(shí)際平均電流的下降中也可很容易地鑒別出空抽的發(fā)生。但是，電流的檢測受到抽油機配重的影響而使實(shí)際的電機電流變得很難控制，絕不像某些膚淺的文章中所描述的那樣，是近似方波的電流波形。實(shí)際的抽油機電動(dòng)機的扭矩（電流）曲線(xiàn)如圖3所示。這種不規則的扭矩（電流）曲線(xiàn)，只有通過(guò)抽油機的機械結構和平衡曲線(xiàn)的改變方能改變，而不是通過(guò)電控裝置可以實(shí)現的，因此，這是一個(gè)機電一體化的系統工程問(wèn)題。

圖3 采用普通異步電動(dòng)機的標準抽油機上的慣性扭矩當量

2.4 抽油桿載荷傳感器

普遍采用的方法是通過(guò)特制的傳感器，對抽油機的光桿載荷進(jìn)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(guò)對抽油桿載荷的分析可以很容易地被檢測出來(lái)。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(jìn)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，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。國內已有抽油機專(zhuān)用的測力傳感器產(chǎn)品。利用載荷傳感器的數據繪制的示功圖，檢測抽空控制設備的工作原理如圖4所示。
抽空控制最可靠的一個(gè)方法是計算光桿所做的機械功，因為，機械功與被示功圖所封閉的面積成正比，所以，空抽表明輸入到系統中的能量減少，只須計算示功圖的面積或一部分面積即可檢測抽空條件。其方法包括在示功圖上設定兩條垂直線(xiàn)，計算這兩條抽油桿位置線(xiàn)之間示功圖的面積或曲線(xiàn)下面的面積，如果用示功圖里面的面積，可檢測出圖4中的面積1減少了；如果用示功圖下面的面積，則可檢測出面積2增加了。

（a） 抽油桿載荷傳感在設定點(diǎn)處的桿載荷

（b） 變化的載荷量

（c） 抽油桿所做的機械功

圖4 監測抽油桿載荷裝置的抽空控制設備的工作原理

同時(shí)，也可像電機電流信號一樣，通過(guò)計算光桿載荷平均值的辦法來(lái)檢測抽空的發(fā)生，較高的載荷平均值表示有可能發(fā)生空抽，而較低的載荷平均值則表示油井中液量多。

總之，間抽控制器的優(yōu)點(diǎn)和經(jīng)濟效益是顯而易見(jiàn)的。

1）由于縮短了抽油時(shí)間，大大減少了能量消耗。但是，在用人工控制和定時(shí)自動(dòng)控制間抽時(shí)，由于惟恐減產(chǎn)，幾乎都會(huì )發(fā)生實(shí)際抽油時(shí)間比必要的抽油時(shí)間長(cháng)的情形，因而不能完全避免空抽。通過(guò)傳感器信號實(shí)現閉環(huán)控制的智能間抽控制器（IPOC），在檢測到空抽時(shí)立即關(guān)閉抽油機，避免了空抽的發(fā)生，平均可多節約能量20％～30％。

2）相對于人工間抽和定時(shí)間抽來(lái)講，智能間抽控制由于達到了較低的平均液面，增加了產(chǎn)量。因為，較低的液面意味著(zhù)較低的井底流壓，結果較多的液體流入井底，通?？稍霎a(chǎn)1％～4％。

3）由于消除了液擊現象，可使井下和地面設備的維修費用減少25％～30％。另外，通過(guò)IPOC裝置可提前探測到油井故障，從而進(jìn)一步減少了所需的修井作業(yè)量。

4）使用微電腦技術(shù)的IPOC裝置大大增加了抽油系統的性能信息檢測數據，為抽油機的遙控遙測及集中控制創(chuàng )造了條件。

3 軟起動(dòng)及調壓節能型

由于抽油機的功率檔次有限，如30kN，60kN，80kN，100kN等，而每一口油井的參數都不一樣，在選配抽油機時(shí)，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(dòng)機時(shí)，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(zhù)油井由淺入深的抽取，油井的產(chǎn)液量越來(lái)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(shí)際負載率普遍偏低，大部分抽油機的負載率在20％～30％之間，最高也不會(huì )超過(guò)50％，形成大馬拉小車(chē)的現象。而當電動(dòng)機處于輕載運行時(shí)，其效率和功率因數都較低，此時(shí)若適當調節電動(dòng)機定子的端電壓，使之與電動(dòng)機的負載率合理匹配，這樣就降低了電動(dòng)機的勵磁電流，從而降低電動(dòng)機的鐵耗和從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率，可以提高電動(dòng)機的運行效率和功率因數，達到節能的目的。