淺談我國抽油機電控裝置的發(fā)展

1 引言

抽油機（俗稱叩頭機）是石油開采中的必備設備。一般，每個原油生產(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在運行。圖1給出了抽油機的結(jié)構(gòu)圖。抽油機的每個工作循環(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。抽油機的負荷電流曲線如圖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(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；15—配電箱。

圖2 抽油機負荷曲線圖

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(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)進行節(jié)能改造，可帶來相當可觀的經(jīng)濟效益。

2 抽油機節(jié)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(jié)構(gòu)，即直接以交流電機作為原動機，通過皮帶傳動與凸輪機構(gòu)把電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為抽油桿的上、下往復式運動。對交流電機的控制僅用一個開關，如圖3所示。從圖3可見，這種控制方式具 有 以 下 幾 個 特 點 。

圖3 過去抽油機的控制方案

1）電機直接起動，起動電流大 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)井的實測，起動過程中電網(wǎng)電壓降落達25～30V，因而，對同一井區(qū)數(shù)口采油井（或數(shù)臺抽油機）共用一個變壓器的場合，則要求抽油機互相錯開起動時間，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，經(jīng)常造成電機燒壞 由于圖3所示控制方案無法監(jiān)測電機是否缺相運行，所以，當電網(wǎng)缺相(如變壓器斷線，電機內(nèi)部斷線或接觸不良造成缺相)時，極易使電機燒壞。對過載來講，圖3所示線路亦沒有檢測與保護手段，經(jīng)常造成電機雖未缺相但過載運行而燒壞，幾乎在各油田都有很多被燒壞的抽油機電機。

3）功率因數(shù)很低 由于抽油機周期性負荷特點，加之電機為感性負載，因而運行中功率因數(shù)很低。經(jīng)對延長油礦西區(qū)采17＃石油生產(chǎn)井的實測功率因數(shù)，最低時為0.125，最高時僅0.54，所以耗電嚴重?，F(xiàn)以全國的8萬多臺抽油機平均電機功率為15kW（實際電機平均功率大于15kW），生產(chǎn)時間平均負荷率按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)濟效益不少于3.4億元。

3 抽油機電控裝置

據(jù)統(tǒng)計，我國石油開采成本為發(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年的三年里通過先進的用電管理技術，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節(jié)能問題，則受到了各油田的普通重視。為此，對抽油機節(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)的普遍關注，至今，在各油田進行中試或已投運的電控裝置，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(shù)仍然很低。該方案具有手動、自動控制功能，通過對交流電機某一相電流的檢測來進行過流保護，而缺相保護是通過對三相電壓的檢測來進行的，具有圖4（a)與圖4（b)所示的兩種線路。

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

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，進行缺相保護。過流保護應用三個電流互感器,保護較圖4（a）要可靠點，但當電機定子繞組為三角形接線時，缺相保護不可靠的問題仍然存在。

（a） 控制保護線路1

（b） 控制保護線路2

圖4 具有缺相與過載保護的兩種抽油機常用控制線路

2）同時應用電流信號進行缺相和過載保護

這種方案仍然采用電機直接起動，以三個電流互感器監(jiān)測電機三相電流,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，當缺相時，整流電壓U_d波形出現(xiàn)缺口，使缺相保護電路動作；當過載時U_d值增加，超過過載保護門檻，過載保護電路動作。該電路的設計應考慮起動時的過載（交流電機直接起動電流為額定電流的5～7倍），不應使過載保護動作，由于加到電機定子側(cè)的電壓為固定值，功率因數(shù)仍很低，不能進行有效的節(jié)能。

圖5 應用電流信號進行缺相和過載保護的原理圖

3）應用電容補償提高功率因數(shù)

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(shù)提高，而不能達到最優(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償?shù)臏y試表明，功率因數(shù)為0.54～0.98，比不補償時的0.154～0.5提高了很多，但不是都大于0.9，同時由于加到電機定子側(cè)的電壓恒定，所以電機的損耗并未降低。

4）應用變頻器來按電機負載情況進行調(diào)速

采用變頻器來控制電機，即變頻器按負載的大小對電機進行變頻調(diào)速，輕載時使電機的轉(zhuǎn)速降低，從而得到近似于泵類負載的節(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，由于抽油機運行環(huán)境的惡劣，其可靠性亦存在問題，現(xiàn)場維護力量跟不上，是油田不太喜歡的方案。

5）保持電機轉(zhuǎn)速恒定，按負載大小調(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)亦有幾臺從日本進口的此類設備，其工作原理是按抽油機負載的周期性變化，通過晶閘管調(diào)節(jié)加到電機定子側(cè)的電壓值，從而使電機的實際運行電流減小，保證在運行過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的損耗。經(jīng)測試采用這種調(diào)節(jié)方法后，可使電機的損耗減小20％～30％，采用晶閘管調(diào)壓，可以解決電機的軟起動，缺相保護，過載保護等問題。另外，晶閘管作為無觸點開關，省了接觸器，從而解決了接觸器工作壽命相對較短（觸點壽命僅10000多次）的問題。

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

1）直接起動不帶保護的抽油機電機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，缺相和過載保護以及功率因數(shù)補償?shù)某橛蜋C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(diào)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(jù)抽油機負載曲線隨時自動切換補償電容的數(shù)量，從而使抽油機工作的整個周期內(nèi)的功率因數(shù)都補償?shù)?.9以上。其缺相保護，過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(zhuǎn)速穩(wěn)定，具有多種保護功能及功率因數(shù)補償?shù)某橛蜋C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功能，缺相、過載、電機過熱等保護功能齊全，且可根據(jù)地下油藏及抽油量的大小自動調(diào)節(jié)抽油機電機的端電壓，同時有功率因數(shù)補償環(huán)節(jié)，可極大地減小抽油機拖動電機的損耗，實現(xiàn)很好的節(jié)能效果。毫無疑問，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，其市場前景巨大。

4）帶有遙控遙測功能，具有完善保護能力，可節(jié)能的抽油機電機控制器是一個研究熱點由于采油井分布地域廣而復雜，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電機控制設備的一個發(fā)展方向。它可以實現(xiàn)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)抽油機控制裝置的一個研究熱點，將代表著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(jié)構(gòu)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，隨著研究的深入，抽油機電控裝置的結(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，傻瓜型抽油機電控設備將是其又一個重要的發(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現(xiàn)系列化、標準化，進而實現(xiàn)通用化、模塊化，其互換性將逐步增強。

5 結(jié)語

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(jié)能降耗潛力巨大。

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

3）國內(nèi)對抽油機電控設備的研究方興未艾，將促進該領域的發(fā)展和進步。

4）抽油機電控裝置的發(fā)展方向是節(jié)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。