淺談我國抽油機(jī)電控裝置的發(fā)展

1 引言

抽油機(jī)（俗稱叩頭機(jī)）是石油開采中的必備設(shè)備。一般，每個原油生產(chǎn)井都至少使用一臺抽油機(jī)，將深藏在地下（或海水中）的石油通過抽油管抽出。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國陸海共有石油生產(chǎn)油井八萬多個，也就是說石油行業(yè)共有八萬多臺抽油機(jī)在運(yùn)行。圖1給出了抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。抽油機(jī)的每個工作循環(huán)可分為上提抽油桿，下放抽油桿，從上提抽油桿轉(zhuǎn)換為下放抽油桿，從下放抽油桿轉(zhuǎn)換為上提抽油桿四個階段。抽油機(jī)的負(fù)荷電流曲線如圖2所示。顯然抽油機(jī)的負(fù)載為一周期性變化的負(fù)載。

圖1 抽油機(jī)結(jié)構(gòu)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—曲柄銷裝置；

10—曲柄裝置；11—減速器；12—剎車保險裝置；

13—剎車裝置；14—電動機(jī)；15—配電箱。

圖2 抽油機(jī)負(fù)荷曲線圖

據(jù)截止2000年初的統(tǒng)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(tǒng)用電量為206.03×10⁸kW·h。據(jù)估計，中國石油天然氣股份公司平均每噸油成本中的電費(fèi)支出約占20％～30％，地方油田生產(chǎn)成本中的電費(fèi)支出更高，而電費(fèi)支出中抽油機(jī)占了相當(dāng)大的比重。因此，對抽油機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，可帶來相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2 抽油機(jī)節(jié)能潛力巨大

大部分原油生產(chǎn)井的抽油機(jī)采用圖1所示的結(jié)構(gòu)，即直接以交流電機(jī)作為原動機(jī)，通過皮帶傳動與凸輪機(jī)構(gòu)把電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為抽油桿的上、下往復(fù)式運(yùn)動。對交流電機(jī)的控制僅用一個開關(guān)，如圖3所示。從圖3可見，這種控制方式具 有 以 下 幾 個 特 點(diǎn) 。

圖3 過去抽油機(jī)的控制方案

1）電機(jī)直接起動，起動電流大 由于抽油機(jī)的井位遠(yuǎn)離供電主電網(wǎng)，且一般選取配電變壓器的容量有限，所以，起動中較大的電流引起供電電壓的下降。經(jīng)對延長西區(qū)采17＃石油生產(chǎn)井的實(shí)測，起動過程中電網(wǎng)電壓降落達(dá)25～30V，因而，對同一井區(qū)數(shù)口采油井（或數(shù)臺抽油機(jī)）共用一個變壓器的場合，則要求抽油機(jī)互相錯開起動時間，以盡可能減小電網(wǎng)電壓在起動過程中的降落。

2）缺相及過載無法保護(hù)，經(jīng)常造成電機(jī)燒壞 由于圖3所示控制方案無法監(jiān)測電機(jī)是否缺相運(yùn)行，所以，當(dāng)電網(wǎng)缺相(如變壓器斷線，電機(jī)內(nèi)部斷線或接觸不良造成缺相)時，極易使電機(jī)燒壞。對過載來講，圖3所示線路亦沒有檢測與保護(hù)手段，經(jīng)常造成電機(jī)雖未缺相但過載運(yùn)行而燒壞，幾乎在各油田都有很多被燒壞的抽油機(jī)電機(jī)。

3）功率因數(shù)很低 由于抽油機(jī)周期性負(fù)荷特點(diǎn)，加之電機(jī)為感性負(fù)載，因而運(yùn)行中功率因數(shù)很低。經(jīng)對延長油礦西區(qū)采17＃石油生產(chǎn)井的實(shí)測功率因數(shù)，最低時為0.125，最高時僅0.54，所以耗電嚴(yán)重?，F(xiàn)以全國的8萬多臺抽油機(jī)平均電機(jī)功率為15kW（實(shí)際電機(jī)平均功率大于15kW），生產(chǎn)時間平均負(fù)荷率按80％計算，全國每年抽油機(jī)耗電不少于84.096×10⁸kW·h。若采用先進(jìn)的節(jié)能控制裝置，使總節(jié)電率提高10％，則年可節(jié)電不少于84.096×10⁷kW·h。按0.4元/kW·h計算，則直接經(jīng)濟(jì)效益不少于3.4億元。

3 抽油機(jī)電控裝置

據(jù)統(tǒng)計，我國石油開采成本為發(fā)達(dá)國家（如美國）的好幾倍，中國石油天然氣總公司從1996年到1998年的三年里通過先進(jìn)的用電管理技術(shù)，使中油集團(tuán)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)一步降低石油開采成本及提高總體效益。作為石油生產(chǎn)中用電消耗大戶之一的抽油機(jī)節(jié)能問題，則受到了各油田的普通重視。為此，對抽油機(jī)節(jié)電裝置的研究，受到了國內(nèi)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(yùn)的電控裝置，從大的方面來看可分為以下幾種。

1）直接起動帶過載和缺相保護(hù)的方案

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

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

圖4（b）利用缺相時要么接觸器J_Z線圈斷電，要么繼電器J₁線圈斷電，進(jìn)行缺相保護(hù)。過流保護(hù)應(yīng)用三個電流互感器,保護(hù)較圖4（a）要可靠點(diǎn)，但當(dāng)電機(jī)定子繞組為三角形接線時，缺相保護(hù)不可靠的問題仍然存在。

（a） 控制保護(hù)線路1

（b） 控制保護(hù)線路2

圖4 具有缺相與過載保護(hù)的兩種抽油機(jī)常用控制線路

2）同時應(yīng)用電流信號進(jìn)行缺相和過載保護(hù)

這種方案仍然采用電機(jī)直接起動，以三個電流互感器監(jiān)測電機(jī)三相電流,原理電路如圖5所示。該電路通過電流互感器檢測出三相電流信號，當(dāng)缺相時，整流電壓U_d波形出現(xiàn)缺口，使缺相保護(hù)電路動作；當(dāng)過載時U_d值增加，超過過載保護(hù)門檻，過載保護(hù)電路動作。該電路的設(shè)計應(yīng)考慮起動時的過載（交流電機(jī)直接起動電流為額定電流的5～7倍），不應(yīng)使過載保護(hù)動作，由于加到電機(jī)定子側(cè)的電壓為固定值，功率因數(shù)仍很低，不能進(jìn)行有效的節(jié)能。

圖5 應(yīng)用電流信號進(jìn)行缺相和過載保護(hù)的原理圖

3）應(yīng)用電容補(bǔ)償提高功率因數(shù)

有許多油田抽油機(jī)的控制裝置采用電容器補(bǔ)償，即在電機(jī)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(jī)的功率因數(shù)提高，而不能達(dá)到最優(yōu)。經(jīng)對延長油礦西區(qū)采17＃生產(chǎn)油井采用固定式電容補(bǔ)償?shù)臏y試表明，功率因數(shù)為0.54～0.98，比不補(bǔ)償時的0.154～0.5提高了很多，但不是都大于0.9，同時由于加到電機(jī)定子側(cè)的電壓恒定，所以電機(jī)的損耗并未降低。

4）應(yīng)用變頻器來按電機(jī)負(fù)載情況進(jìn)行調(diào)速

采用變頻器來控制電機(jī)，即變頻器按負(fù)載的大小對電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，輕載時使電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，從而得到近似于泵類負(fù)載的節(jié)能效果。由于變頻器的價格較高，使這種方案推廣難度大，同時，由于抽油機(jī)運(yùn)行環(huán)境的惡劣，其可靠性亦存在問題，現(xiàn)場維護(hù)力量跟不上，是油田不太喜歡的方案。

5）保持電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，按負(fù)載大小調(diào)壓

此方案是各電力電子企業(yè)和科研單位正在開發(fā)探討的方案。國內(nèi)亦有幾臺從日本進(jìn)口的此類設(shè)備，其工作原理是按抽油機(jī)負(fù)載的周期性變化，通過晶閘管調(diào)節(jié)加到電機(jī)定子側(cè)的電壓值，從而使電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行電流減小，保證在運(yùn)行過程中電機(jī)的鐵損耗與銅損耗相等，從而減小電機(jī)空載及輕載時的損耗。經(jīng)測試采用這種調(diào)節(jié)方法后，可使電機(jī)的損耗減小20％～30％，采用晶閘管調(diào)壓，可以解決電機(jī)的軟起動，缺相保護(hù)，過載保護(hù)等問題。另外，晶閘管作為無觸點(diǎn)開關(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）的問題。

4 抽油機(jī)電控裝置發(fā)展趨勢的探討

由于抽油機(jī)是石油開采中必須使用的設(shè)備，隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國內(nèi)對石油的需求量逐年增加，可以斷言抽油機(jī)的使用量將會有很大的增加，所以，新型節(jié)能的抽油機(jī)電控裝置的開發(fā)和推廣應(yīng)用不可避免，對抽油機(jī)電機(jī)控制的研究將會有一個很大的飛躍，其發(fā)展趨勢如下：

1）直接起動不帶保護(hù)的抽油機(jī)電機(jī)控制方案將會快速退出歷史舞臺由于這種控制方案的弊端，現(xiàn)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很快淘汰它。

2）具有軟起動，缺相和過載保護(hù)以及功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)某橛蜋C(jī)電機(jī)控制方案將大面積推廣和應(yīng)用為保護(hù)抽油機(jī)電機(jī)不被燒壞，這種帶有智能化控制的電控設(shè)備將獲得大面積推廣和使用。應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)的是這種控制設(shè)備中補(bǔ)償電容將不是固定地接在抽油機(jī)電機(jī)的定子端，而是根據(jù)抽油機(jī)負(fù)載曲線隨時自動切換補(bǔ)償電容的數(shù)量，從而使抽油機(jī)工作的整個周期內(nèi)的功率因數(shù)都補(bǔ)償?shù)?.9以上。其缺相保護(hù)，過載保護(hù)性能將更加靈敏、更加迅速、更加準(zhǔn)確和可靠。

3）保持電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，具有多種保護(hù)功能及功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)某橛蜋C(jī)控制設(shè)備將是抽油機(jī)電控設(shè)備發(fā)展的主流由于這種抽油機(jī)控制方案具有軟起動功能，缺相、過載、電機(jī)過熱等保護(hù)功能齊全，且可根據(jù)地下油藏及抽油量的大小自動調(diào)節(jié)抽油機(jī)電機(jī)的端電壓，同時有功率因數(shù)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，可極大地減小抽油機(jī)拖動電機(jī)的損耗，實(shí)現(xiàn)很好的節(jié)能效果。毫無疑問，這種方案將是抽油機(jī)電機(jī)控制方案的主流，將在各油田獲得廣泛應(yīng)用，其市場前景巨大。

4）帶有遙控遙測功能，具有完善保護(hù)能力，可節(jié)能的抽油機(jī)電機(jī)控制器是一個研究熱點(diǎn)由于采油井分布地域廣而復(fù)雜，而且不是每個生產(chǎn)油井都有人值班，所以，這種控制裝置將是抽油機(jī)電機(jī)控制設(shè)備的一個發(fā)展方向。它可以實(shí)現(xiàn)多臺抽油機(jī)的集中控制,達(dá)到巡回檢測，群控等功能，能把抽油機(jī)的生產(chǎn)運(yùn)行情況及時向中央控制站報告，特別符合油田的生產(chǎn)需要，是未來幾年內(nèi)抽油機(jī)控制裝置的一個研究熱點(diǎn)，將代表著抽油機(jī)電機(jī)控制裝置的發(fā)展方向。

5）抽油機(jī)電控裝置將從結(jié)構(gòu)和性能上不斷創(chuàng)新由于抽油機(jī)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，隨著研究的深入，抽油機(jī)電控裝置的結(jié)構(gòu)將朝著具有上述三防功能，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(jī)電控設(shè)備將是其又一個重要的發(fā)展方向。

6）抽油機(jī)電控設(shè)備的備品備件將系列化、標(biāo)準(zhǔn)化隨著國家對抽油機(jī)電控設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的逐步完善，其備品備件將逐步實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通用化、模塊化，其互換性將逐步增強(qiáng)。

5 結(jié)語

1）抽油機(jī)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(jié)能降耗潛力巨大。

2）技術(shù)性能先進(jìn)的抽油機(jī)電控裝置可降低石油開采成本，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)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(zhàn)，增強(qiáng)參與國際石油市場競爭的能力。

3）國內(nèi)對抽油機(jī)電控設(shè)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(jī)電控裝置的發(fā)展方向是節(jié)能效果明顯，保護(hù)功能齊全，適應(yīng)油田環(huán)境要求，帶有遙控遙測功能。