淺談我國抽油機電控裝置的發(fā)展

1 引言

抽油機（俗稱(chēng)叩頭機）是石油開(kāi)采中的必備設備。一般，每個(gè)原油生產(chǎn)井都至少使用一臺抽油機，將深藏在地下（或海水中）的石油通過(guò)抽油管抽出。據不完全統計，我國陸海共有石油生產(chǎn)油井八萬(wàn)多個(gè)，也就是說(shuō)石油行業(yè)共有八萬(wàn)多臺抽油機在運行。圖1給出了抽油機的結構圖。抽油機的每個(gè)工作循環(huán)可分為上提抽油桿，下放抽油桿，從上提抽油桿轉換為下放抽油桿，從下放抽油桿轉換為上提抽油桿四個(gè)階段。抽油機的負荷電流曲線(xiàn)如圖2所示。顯然抽油機的負載為一周期性變化的負載。

圖1 抽油機結構圖

1—底座；2—支架；3—懸繩器；4—驢頭；5—游梁；

6—橫梁軸承座；7—橫梁；8—連桿；9—曲柄銷(xiāo)裝置；

10—曲柄裝置；11—減速器；12—剎車(chē)保險裝置；

13—剎車(chē)裝置；14—電動(dòng)機；15—配電箱。

圖2 抽油機負荷曲線(xiàn)圖

據截止2000年初的統計資料表明，我國石油企業(yè)總用電量為327.22×10⁸kW·h，其中油氣田生產(chǎn)系統用電量為206.03×10⁸kW·h。據估計，中國石油天然氣股份公司平均每噸油成本中的電費支出約占20％～30％，地方油田生產(chǎn)成本中的電費支出更高，而電費支出中抽油機占了相當大的比重。因此，對抽油機的機械系統和電氣控制系統進(jìn)行節能改造，可帶來(lái)相當可觀(guān)的經(jīng)濟效益。

2 抽油機節能潛力巨大

大部分原油生產(chǎn)井的抽油機采用圖1所示的結構，即直接以交流電機作為原動(dòng)機，通過(guò)皮帶傳動(dòng)與凸輪機構把電動(dòng)機的旋轉運動(dòng)轉化為抽油桿的上、下往復式運動(dòng)。對交流電機的控制僅用一個(gè)開(kāi)關(guān)，如圖3所示。從圖3可見(jiàn)，這種控制方式具 有 以 下 幾 個(gè) 特 點(diǎn) 。

圖3 過(guò)去抽油機的控制方案

1）電機直接起動(dòng)，起動(dòng)電流大 由于抽油機的井位遠離供電主電網(wǎng)，且一般選取配電變壓器的容量有限，所以，起動(dòng)中較大的電流引起供電電壓的下降。經(jīng)對延長(cháng)西區采17＃石油生產(chǎn)井的實(shí)測，起動(dòng)過(guò)程中電網(wǎng)電壓降落達25～30V，因而，對同一井區數口采油井（或數臺抽油機）共用一個(gè)變壓器的場(chǎng)合，則要求抽油機互相錯開(kāi)起動(dòng)時(shí)間，以盡可能減小電網(wǎng)電壓在起動(dòng)過(guò)程中的降落。

2）缺相及過(guò)載無(wú)法保護，經(jīng)常造成電機燒壞 由于圖3所示控制方案無(wú)法監測電機是否缺相運行，所以，當電網(wǎng)缺相(如變壓器斷線(xiàn)，電機內部斷線(xiàn)或接觸不良造成缺相)時(shí)，極易使電機燒壞。對過(guò)載來(lái)講，圖3所示線(xiàn)路亦沒(méi)有檢測與保護手段，經(jīng)常造成電機雖未缺相但過(guò)載運行而燒壞，幾乎在各油田都有很多被燒壞的抽油機電機。

3）功率因數很低 由于抽油機周期性負荷特點(diǎn)，加之電機為感性負載，因而運行中功率因數很低。經(jīng)對延長(cháng)油礦西區采17＃石油生產(chǎn)井的實(shí)測功率因數，最低時(shí)為0.125，最高時(shí)僅0.54，所以耗電嚴重?，F以全國的8萬(wàn)多臺抽油機平均電機功率為15kW（實(shí)際電機平均功率大于15kW），生產(chǎn)時(shí)間平均負荷率按80％計算，全國每年抽油機耗電不少于84.096×10⁸kW·h。若采用先進(jìn)的節能控制裝置，使總節電率提高10％，則年可節電不少于84.096×10⁷kW·h。按0.4元/kW·h計算，則直接經(jīng)濟效益不少于3.4億元。

3 抽油機電控裝置

據統計，我國石油開(kāi)采成本為發(fā)達國家（如美國）的好幾倍，中國石油天然氣總公司從1996年到1998年的三年里通過(guò)先進(jìn)的用電管理技術(shù)，使中油集團公司高峰電力得到有效控制。十五期間又制訂出新的降耗增效策略，以進(jìn)一步降低石油開(kāi)采成本及提高總體效益。作為石油生產(chǎn)中用電消耗大戶(hù)之一的抽油機節能問(wèn)題，則受到了各油田的普通重視。為此，對抽油機節電裝置的研究，受到了國內電力電子及特種電源行業(yè)的普遍關(guān)注，至今，在各油田進(jìn)行中試或已投運的電控裝置，從大的方面來(lái)看可分為以下幾種。

1）直接起動(dòng)帶過(guò)載和缺相保護的方案

這種方案的原理電路如圖4所示。在運行中加到電機定子上的端電壓仍為固定值，功率因數仍然很低。該方案具有手動(dòng)、自動(dòng)控制功能，通過(guò)對交流電機某一相電流的檢測來(lái)進(jìn)行過(guò)流保護，而缺相保護是通過(guò)對三相電壓的檢測來(lái)進(jìn)行的，具有圖4（a)與圖4（b)所示的兩種線(xiàn)路。

對于圖4（a)，當電網(wǎng)三相缺一相時(shí)，P點(diǎn)電壓便不為0，V₁導通，進(jìn)行缺相保護，而當電機過(guò)載時(shí)比較器A₁翻轉，V₂導通，進(jìn)行過(guò)載保護。缺點(diǎn)在于電流檢測僅用一相，若A、B兩相中有任一相過(guò)載，則不能進(jìn)行可靠的保護；另外，在電機定子繞組為三角形接線(xiàn)時(shí)，既就是電網(wǎng)缺相，但由于運行的電機通過(guò)內部繞組會(huì )感應出所缺的這一相電壓，因而V₁不一定能可靠導通進(jìn)行缺相保護；另一方面當電網(wǎng)三相不平衡時(shí)，P點(diǎn)電壓有可能大于0.7V而進(jìn)行誤保護。

圖4（b）利用缺相時(shí)要么接觸器J_Z線(xiàn)圈斷電，要么繼電器J₁線(xiàn)圈斷電，進(jìn)行缺相保護。過(guò)流保護應用三個(gè)電流互感器,保護較圖4（a）要可靠點(diǎn)，但當電機定子繞組為三角形接線(xiàn)時(shí)，缺相保護不可靠的問(wèn)題仍然存在。

（a） 控制保護線(xiàn)路1

（b） 控制保護線(xiàn)路2

圖4 具有缺相與過(guò)載保護的兩種抽油機常用控制線(xiàn)路

2）同時(shí)應用電流信號進(jìn)行缺相和過(guò)載保護

這種方案仍然采用電機直接起動(dòng)，以三個(gè)電流互感器監測電機三相電流,原理電路如圖5所示。該電路通過(guò)電流互感器檢測出三相電流信號，當缺相時(shí)，整流電壓U_d波形出現缺口，使缺相保護電路動(dòng)作；當過(guò)載時(shí)U_d值增加，超過(guò)過(guò)載保護門(mén)檻，過(guò)載保護電路動(dòng)作。該電路的設計應考慮起動(dòng)時(shí)的過(guò)載（交流電機直接起動(dòng)電流為額定電流的5～7倍），不應使過(guò)載保護動(dòng)作，由于加到電機定子側的電壓為固定值，功率因數仍很低，不能進(jìn)行有效的節能。

圖5 應用電流信號進(jìn)行缺相和過(guò)載保護的原理圖

3）應用電容補償提高功率因數

有許多油田抽油機的控制裝置采用電容器補償，即在電機三相定子繞組上并接一固定三相電容器組，由于電容值固定，只能使抽油機的功率因數提高，而不能達到最優(yōu)。經(jīng)對延長(cháng)油礦西區采17＃生產(chǎn)油井采用固定式電容補償的測試表明，功率因數為0.54～0.98，比不補償時(shí)的0.154～0.5提高了很多，但不是都大于0.9，同時(shí)由于加到電機定子側的電壓恒定，所以電機的損耗并未降低。

4）應用變頻器來(lái)按電機負載情況進(jìn)行調速

采用變頻器來(lái)控制電機，即變頻器按負載的大小對電機進(jìn)行變頻調速，輕載時(shí)使電機的轉速降低，從而得到近似于泵類(lèi)負載的節能效果。由于變頻器的價(jià)格較高，使這種方案推廣難度大，同時(shí)，由于抽油機運行環(huán)境的惡劣，其可靠性亦存在問(wèn)題，現場(chǎng)維護力量跟不上，是油田不太喜歡的方案。

5）保持電機轉速恒定，按負載大小調壓

此方案是各電力電子企業(yè)和科研單位正在開(kāi)發(fā)探討的方案。國內亦有幾臺從日本進(jìn)口的此類(lèi)設備，其工作原理是按抽油機負載的周期性變化，通過(guò)晶閘管調節加到電機定子側的電壓值，從而使電機的實(shí)際運行電流減小，保證在運行過(guò)程中電機的鐵損耗與銅損耗相等，從而減小電機空載及輕載時(shí)的損耗。經(jīng)測試采用這種調節方法后，可使電機的損耗減小20％～30％，采用晶閘管調壓，可以解決電機的軟起動(dòng)，缺相保護，過(guò)載保護等問(wèn)題。另外，晶閘管作為無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，省了接觸器，從而解決了接觸器工作壽命相對較短（觸點(diǎn)壽命僅10000多次）的問(wèn)題。

4 抽油機電控裝置發(fā)展趨勢的探討

由于抽油機是石油開(kāi)采中必須使用的設備，隨著(zhù)國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，國內對石油的需求量逐年增加，可以斷言抽油機的使用量將會(huì )有很大的增加，所以，新型節能的抽油機電控裝置的開(kāi)發(fā)和推廣應用不可避免，對抽油機電機控制的研究將會(huì )有一個(gè)很大的飛躍，其發(fā)展趨勢如下：

1）直接起動(dòng)不帶保護的抽油機電機控制方案將會(huì )快速退出歷史舞臺由于這種控制方案的弊端，現在已不在大、中油田的采油企業(yè)中使用，相信地方油田也將會(huì )很快淘汰它。

2）具有軟起動(dòng)，缺相和過(guò)載保護以及功率因數補償的抽油機電機控制方案將大面積推廣和應用為保護抽油機電機不被燒壞，這種帶有智能化控制的電控設備將獲得大面積推廣和使用。應特別強調的是這種控制設備中補償電容將不是固定地接在抽油機電機的定子端，而是根據抽油機負載曲線(xiàn)隨時(shí)自動(dòng)切換補償電容的數量，從而使抽油機工作的整個(gè)周期內的功率因數都補償到0.9以上。其缺相保護，過(guò)載保護性能將更加靈敏、更加迅速、更加準確和可靠。

3）保持電機轉速穩定，具有多種保護功能及功率因數補償的抽油機控制設備將是抽油機電控設備發(fā)展的主流由于這種抽油機控制方案具有軟起動(dòng)功能，缺相、過(guò)載、電機過(guò)熱等保護功能齊全，且可根據地下油藏及抽油量的大小自動(dòng)調節抽油機電機的端電壓，同時(shí)有功率因數補償環(huán)節，可極大地減小抽油機拖動(dòng)電機的損耗，實(shí)現很好的節能效果。毫無(wú)疑問(wèn)，這種方案將是抽油機電機控制方案的主流，將在各油田獲得廣泛應用，其市場(chǎng)前景巨大。

4）帶有遙控遙測功能，具有完善保護能力，可節能的抽油機電機控制器是一個(gè)研究熱點(diǎn)由于采油井分布地域廣而復雜，而且不是每個(gè)生產(chǎn)油井都有人值班，所以，這種控制裝置將是抽油機電機控制設備的一個(gè)發(fā)展方向。它可以實(shí)現多臺抽油機的集中控制,達到巡回檢測，群控等功能，能把抽油機的生產(chǎn)運行情況及時(shí)向中央控制站報告，特別符合油田的生產(chǎn)需要，是未來(lái)幾年內抽油機控制裝置的一個(gè)研究熱點(diǎn)，將代表著(zhù)抽油機電機控制裝置的發(fā)展方向。

5）抽油機電控裝置將從結構和性能上不斷創(chuàng )新由于抽油機工作環(huán)境十分惡劣，要求其電控裝置具有防霉、防雨、防爆等功能，所以，隨著(zhù)研究的深入，抽油機電控裝置的結構將朝著(zhù)具有上述三防功能，體積更加縮小，更便于維修和散熱，其控制和性能將更加智能化，更加適合油田使用的方向發(fā)展。另外，傻瓜型抽油機電控設備將是其又一個(gè)重要的發(fā)展方向。

6）抽油機電控設備的備品備件將系列化、標準化隨著(zhù)國家對抽油機電控設備標準的逐步完善，其備品備件將逐步實(shí)現系列化、標準化，進(jìn)而實(shí)現通用化、模塊化，其互換性將逐步增強。

5 結語(yǔ)

1）抽油機在我國石油生產(chǎn)中有極大的使用量，其電力消耗量很大，節能降耗潛力巨大。

2）技術(shù)性能先進(jìn)的抽油機電控裝置可降低石油開(kāi)采成本，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟效益，推進(jìn)石油企業(yè)裝備的進(jìn)步，使我國石油企業(yè)能泰然面對加入WTO的挑戰，增強參與國際石油市場(chǎng)競爭的能力。

3）國內對抽油機電控設備的研究方興未艾，將促進(jìn)該領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步。

4）抽油機電控裝置的發(fā)展方向是節能效果明顯，保護功能齊全，適應油田環(huán)境要求，帶有遙控遙測功能。