抽油機(jī)節(jié)能電控裝置綜合分析

2 間抽控制器（POC）

由于抽油機(jī)是按照油井最大化的抽取量來進(jìn)行選擇的，并且還留有設(shè)計(jì)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(fā)生空抽的現(xiàn)象，如果不加以控制，就會(huì)白白地浪費(fèi)大量的電能。對(duì)于這種油井，最簡(jiǎn)單的方法是實(shí)行間抽，即當(dāng)油井出液量不足或發(fā)生空抽時(shí)，就關(guān)閉抽油機(jī)，等待井下液量的蓄積，當(dāng)液面超過一定深度時(shí)，再開啟抽油機(jī)，這樣就提高了抽油機(jī)的工作效率，避免了大量的電能浪費(fèi)。

間抽控制的原始做法是派人定時(shí)到油井去開停抽油機(jī)，即使在發(fā)達(dá)國(guó)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(jī)的低效和浪費(fèi)問題。這種做法每天要派人去井場(chǎng)操作好幾次，經(jīng)過長(zhǎng)期試驗(yàn)才能摸索出適合各油井的間抽規(guī)律，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。于是就引入了定時(shí)鐘，只須設(shè)定開、停機(jī)時(shí)間，便能自動(dòng)地進(jìn)行間抽控制，但是，這仍然無法解決令抽油機(jī)的工作能力動(dòng)態(tài)地響應(yīng)油井負(fù)荷的變化，以達(dá)到最佳的節(jié)能效果，同時(shí)，還有可能會(huì)影響油井的產(chǎn)量。

為了解決上述問題，通過安裝相關(guān)的傳感器，精確感知油井負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)智能間抽控制（IPOC）。為此，可采用各種不同的傳感器達(dá)到控制目的，下面分別予以介紹。

2.1 液面探測(cè)器

如果能直接測(cè)出井中的液面，那么就可以用它來控制抽油機(jī)的運(yùn)行。當(dāng)液面高度超過泵時(shí)，就啟動(dòng)抽油機(jī)；當(dāng)液面降到泵的吸入口處時(shí)，就關(guān)閉抽油機(jī)，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檢測(cè)液面，現(xiàn)代則是利用聲波裝置從地面上自動(dòng)監(jiān)測(cè)井下液面深度，但是，由于裝置復(fù)雜，維修費(fèi)用高而沒有得到普及。

2.2 流量傳感器

在井口通過流量傳感器檢測(cè)油井的出液量，是實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)控制最直接，也是最有效的方法。但是，由于國(guó)內(nèi)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(cè)，對(duì)于各種類型的流量傳感器來講都是一個(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(xiàn)象，因而也未能獲得推廣應(yīng)用。

2.3 電機(jī)電流傳感器

應(yīng)當(dāng)說，電機(jī)電流的檢測(cè)是最方便、最可靠，也是最為廉價(jià)的方法。當(dāng)發(fā)生空抽時(shí)，下沖程開始時(shí)游動(dòng)閥并沒有打開，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(jī)只要用很小的能量就可將桿柱送入井底，電機(jī)電流較小；當(dāng)油井中泵的充滿度較高時(shí)，下沖程開始不久，游動(dòng)閥即打開，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，這也就意味著電機(jī)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。

在下沖程時(shí)設(shè)置一個(gè)設(shè)定值，當(dāng)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(jī)。也可通過電機(jī)的平均電流進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)受到抽油機(jī)配重的影響而使實(shí)際的電機(jī)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(jī)電動(dòng)機(jī)的扭矩（電流）曲線如圖3所示。這種不規(guī)則的扭矩（電流）曲線，只有通過抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和平衡曲線的改變方能改變，而不是通過電控裝置可以實(shí)現(xiàn)的，因此，這是一個(gè)機(jī)電一體化的系統(tǒng)工程問題。

圖3 采用普通異步電動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)抽油機(jī)上的慣性扭矩當(dāng)量

2.4 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(duì)抽油機(jī)的光桿載荷進(jìn)行檢測(cè)，因?yàn)?，光桿載荷是井下泵運(yùn)行情況的最好監(jiān)視器，并且它不受平衡配重的影響。泵的充盈系數(shù)（包括空抽）通過對(duì)抽油桿載荷的分析可以很容易地被檢測(cè)出來。另外，更重要的是抽油桿載荷數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，利用這些信息可對(duì)抽油機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行全面的分析。

在光桿或游梁上安裝測(cè)力傳感器可以測(cè)出抽油桿的載荷數(shù)據(jù)。光桿測(cè)力傳感器比較準(zhǔn)確，但易于損壞；安裝在游梁上的傳感器準(zhǔn)確度比較低，但比較耐用。國(guó)內(nèi)已有抽油機(jī)專用的測(cè)力傳感器產(chǎn)品。利用載荷傳感器的數(shù)據(jù)繪制的示功圖，檢測(cè)抽空控制設(shè)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(jì)算光桿所做的機(jī)械功，因?yàn)椋瑱C(jī)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(tǒng)中的能量減少，只須計(jì)算示功圖的面積或一部分面積即可檢測(cè)抽空條件。其方法包括在示功圖上設(shè)定兩條垂直線，計(jì)算這兩條抽油桿位置線之間示功圖的面積或曲線下面的面積，如果用示功圖里面的面積，可檢測(cè)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(cè)出面積2增加了。

（a） 抽油桿載荷傳感在設(shè)定點(diǎn)處的桿載荷

（b） 變化的載荷量

（c） 抽油桿所做的機(jī)械功

圖4 監(jiān)測(cè)抽油桿載荷裝置的抽空控制設(shè)備的工作原理

同時(shí)，也可像電機(jī)電流信號(hào)一樣，通過計(jì)算光桿載荷平均值的辦法來檢測(cè)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(jì)效益是顯而易見的。

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(zhǎng)的情形，因而不能完全避免空抽。通過傳感器信號(hào)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的智能間抽控制器（IPOC），在檢測(cè)到空抽時(shí)立即關(guān)閉抽油機(jī)，避免了空抽的發(fā)生，平均可多節(jié)約能量20％～30％。

2）相對(duì)于人工間抽和定時(shí)間抽來講，智能間抽控制由于達(dá)到了較低的平均液面，增加了產(chǎn)量。因?yàn)椋^低的液面意味著較低的井底流壓，結(jié)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(xiàn)象，可使井下和地面設(shè)備的維修費(fèi)用減少25％～30％。另外，通過IPOC裝置可提前探測(cè)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(tǒng)的性能信息檢測(cè)數(shù)據(jù)，為抽油機(jī)的遙控遙測(cè)及集中控制創(chuàng)造了條件。

3 軟起動(dòng)及調(diào)壓節(jié)能型

由于抽油機(jī)的功率檔次有限，如30kN，60kN，80kN，100kN等，而每一口油井的參數(shù)都不一樣，在選配抽油機(jī)時(shí)，不可能做到量體裁衣，剛好和抽油機(jī)的功率檔次相匹配，一般留有一定的功率裕量；各型抽油機(jī)在配用電動(dòng)機(jī)時(shí)，為了保證抽油機(jī)在各種工況下正常運(yùn)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(chǎn)液量越來越少，抽油機(jī)的負(fù)荷也相應(yīng)減小。由于上述原因，就造成了抽油機(jī)的實(shí)際負(fù)載率普遍偏低，大部分抽油機(jī)的負(fù)載率在20％～30％之間，最高也不會(huì)超過50％，形成大馬拉小車的現(xiàn)象。而當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于輕載運(yùn)行時(shí)，其效率和功率因數(shù)都較低，此時(shí)若適當(dāng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子的端電壓，使之與電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率合理匹配，這樣就降低了電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，從而降低電動(dòng)機(jī)的鐵耗和從電網(wǎng)吸收的無功功率，可以提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率和功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)能的目的。