1 引言
自從一百多年前，以燃燒石油制品為動力的機器誕生以后，對石油的需求量飛速增長，也為石油工業(yè)的崛起提供了發(fā)展契機。隨著采油業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生了被廣泛使用的油井舉升設備—抽油機。
抽油機的種類繁多，技術(shù)發(fā)明有數(shù)百種。從采油方式上可分為兩種:有桿類采油設備和無桿類采油設備。有桿類采油設備又可分為抽油桿往復運動類(國內(nèi)外大量使用的游梁式抽油機和無游梁式抽油機)和旋轉(zhuǎn)運動類(如電動潛油螺桿泵);無桿類采油設備也可分為電動潛油離心泵，液壓驅(qū)動類(如水力活塞泵)和氣舉采油設備。
圖1 游梁式抽油機—抽油泵裝置簡圖
圖2 常規(guī)曲柄平衡抽油機
目前應用最為廣泛的是，游梁式豎井抽油機采油系統(tǒng)，如圖1所示。由圖1可見，該系統(tǒng)由三部分組成:一是地面部分—游梁式抽油機，它由電動機、減速箱和四連桿機構(gòu)(包括曲柄、連桿和游梁)等組成，圖1中:1—電動機;2—減速器;3—四連桿;4—抽油桿柱;5—油管;6—套管;7—抽油泵;8—游動閥;9—固定閥。詳細結(jié)構(gòu)見圖2，圖2中: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—配電柜。二是井下部分—抽油泵(包括吸入閥、泵筒、柱塞和排出閥等)，它懸掛在套管中油管的下端，可分為桿式泵和管式泵;三是聯(lián)接地面抽油機和井下抽油泵的中間部分—抽油桿柱，它由一種或幾種直徑的抽油桿和接箍組成。
我國的油田多為低滲透的低能、低產(chǎn)油田，不像中東的油田那樣有很強的自噴能力，大部分油田要靠注水來壓油入井，再靠抽油機把油從地層中提升上來。以水換油，以電換油是目前我國油田的現(xiàn)實，電費在我國的石油開采成本中占了相當大的比例。所以，石油行業(yè)十分重視節(jié)約電能。
目前我國抽油機的保有量在10萬臺以上，電動機裝機總?cè)萘吭?500mw，每年耗電量逾百億kw·h。抽油機的運行效率特別低，在我國平均效率為25.96%，國外平均水平為30.05%，年節(jié)能潛力可達幾十億kw·h。除了抽油機之外，油田還有大量的注水泵、輸油泵和潛油泵等設備，總耗電量超過油田總用電量的80%，可見，石油行業(yè)也是推廣“電機系統(tǒng)節(jié)能”的重點行業(yè)。
抽油機節(jié)能，主要分為節(jié)能型抽油機的研制和抽油機節(jié)能電控裝置的研究推廣兩個方面，對此兩大技術(shù)的研究正方興未艾。介紹和宣傳的文章也很多，說法莫衷一是，有失偏頗，不夠公允。廠家的產(chǎn)品性能介紹則更加離譜，有“王婆賣瓜”之嫌，無客觀科學之實。因此也有必要將目前常見的幾種類型的抽油機節(jié)能電控裝置作一個科學的分析比較，還其客觀真實性，也可作為用戶選用時的參考。在全國各油田進行中試或已投運的節(jié)能電控裝置不下數(shù)十種之多，大體上可以分為五種類型，下面分別加以討論。
2 間抽控制器(poc)
由于抽油機的設計能力是按照油井最大化的抽取量選擇的，一般留有采油能力的設計余量。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，就會白白地浪費大量的電能。對于這種油井，最簡單的方法是實行間抽:當油井出液量不足或發(fā)生空抽時，就關(guān)閉抽油機，等待井下液量的蓄積，當液面超過一定深度時，再開啟抽油機進行抽吸，這樣就提高了抽油機的工作效率，避免了大量的電能浪費。
間抽控制器的優(yōu)點和經(jīng)濟效益是顯而易見的:
(1) 大大減少了能量消耗
由于縮短了抽油時間，大大減少了能量消耗。在用人工和時間定時控制間抽時，由于惟恐減產(chǎn)，因此幾乎都會造成實際抽油時間比必要的抽油時間長，因而不能完全避免空抽。通過傳感器信號實現(xiàn)閉環(huán)控制的智能間抽控制器(ipoc)，在檢測到空抽時立即關(guān)閉抽油機，避免了空抽的發(fā)生，平均可多節(jié)約能量20~30%。
(2) 產(chǎn)量增加
相對于人工間抽和時間定時間抽來講，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) 降低維修費
可使井下和地面設備的維修費用減少25~30%，主要是由于消除了液擊現(xiàn)象。另外，通過ipoc裝置可提前探測到油井故障，從而進一步減少了所需的修井作業(yè)量。
(4) 增加了遙測、遙控功能
使用微電腦技術(shù)的ipoc裝置大大增加了抽油系統(tǒng)的性能信息檢測數(shù)據(jù)，為抽油機的遙控遙測及集中控制創(chuàng)造了條件。
3 軟起動、調(diào)壓節(jié)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(shù)都不一樣，在選配抽油機時，一般留有一定的功率裕量;各型抽油機在配用電動機時，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;隨著油井由淺入深的抽取，油井的產(chǎn)液量越來越少，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，最高也不會超過50%，形成大馬拉小車的現(xiàn)象。而當電動機處于輕載運行時，其效率和功率因數(shù)都較低，此時若適當調(diào)節(jié)電動機定子的端電壓，使之與電動機的負載率合理匹配，這樣就降低了電動機的勵磁電流，從而降低電動機的鐵耗和從電網(wǎng)吸收的無功功率，可以提高電動機的運行效率和功率因數(shù)，達到節(jié)能的目的。
3.1 星/三角轉(zhuǎn)換降壓節(jié)能
星形/三角形接法的實現(xiàn)一般采用交流接觸器實現(xiàn)，也可以通過可控硅開關(guān)實現(xiàn)，兩種方法在節(jié)能效果上并無差異，而轉(zhuǎn)換控制電路如何準確掌握轉(zhuǎn)換時的負載率則會對節(jié)能效果產(chǎn)生較大的影響。當負載率β＜33%時，不能及時進行△→y切換，則會影響節(jié)能效果，而當負載率β＞33%時，不能及時進行y→△切換，則會使電流過大，銅耗增加，反而費電，同樣影響節(jié)能效果。為了不使轉(zhuǎn)換頻繁進行，一般在轉(zhuǎn)換點的負載率之間設置一定的回差，通常采用負載率β＜30%時進行△→y轉(zhuǎn)換，而當β＞35%，進行y→△轉(zhuǎn)換。
3.2 可控硅軟啟動，調(diào)壓節(jié)電
圖3 軟啟動控制器框圖
可控硅軟啟動，調(diào)壓節(jié)電的控制框圖見圖3所示。由單片機控制改變串聯(lián)在電動機定子主回路中的可控硅的導通角β，即可以改變加在定子繞組上的端電壓的大小，從而起到調(diào)壓節(jié)電的目的。其優(yōu)點是可以動態(tài)跟蹤電動機的功率因數(shù)或輸入電功率，達到最佳節(jié)能效果;在負載突然增加時也可得到及時的響應，以免電動機堵轉(zhuǎn);且可兼作電動機的軟啟動器，同時由于采用單片機控制，具有完善的保護功能。其缺點是造價較高，且由于可控硅的移相作用，會產(chǎn)生大量的諧波，對電網(wǎng)、電機以及通訊控制系統(tǒng)造成不良的影響，今后這類產(chǎn)品將因達不到電磁兼容的標準而被限制使用。
對于電動機降壓節(jié)電的有關(guān)計算和校驗，中華人民共和國國家標準gb12497-1995《三相異步電動機經(jīng)濟運行》中有明確的要求。在采取調(diào)壓節(jié)電時，既要達到節(jié)電的目的，又要保證電動機軸上的出力，并有一定的過載系數(shù)，否則當負荷波動時電動機將發(fā)生堵轉(zhuǎn)而燒毀。電動機輕載降壓時，首先是功率因數(shù)上升，節(jié)約了無功功率。這里必須著重提出:不是所有的降壓行為都能達到節(jié)能的目的，只有當電壓的降低程度大于轉(zhuǎn)差率及功率因數(shù)的上升程度時，才能使降壓運行中的電動機的效率得到提高而節(jié)能。
經(jīng)過各種檢驗計算，電動機降壓后的電壓最小值的范圍大致為(0.56~0.27)un。且以上數(shù)據(jù)是以正弦波電壓計算的，若考慮到可控硅調(diào)壓所產(chǎn)生的諧波，引起電動機的噪音、振動和附加發(fā)熱等因素，其節(jié)能效果還要降低。一臺y1600—10/1730型電動機輕載降壓節(jié)能效果的計算數(shù)據(jù)見表1。y1600—10/1730型電動機的原始數(shù)據(jù):額定功率pn=1600kw，額定電壓un=6.0kv，額定電流in=185a，額定轉(zhuǎn)速nn=595r/min，最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)(最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩)=2.22，起動電流倍數(shù)(堵轉(zhuǎn)電流/額定電流)=5.53，起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)(起動轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩)=0.824，額定效率ηn=94.49%，額定功率因數(shù)cosψ=0.879。電動機額定負載時的有功損耗σpn=93.3kw，電動機的空載損耗p0=29.6kw，空載電流i0=46.25a，電動機帶額定負載時的無功功率qn=918kvar，電動機的空載無功功率q0=480.6kvar。
由表1可見，電動機降壓節(jié)能，首先并主要節(jié)省的是無功功率，提高了功率因數(shù)，對供電網(wǎng)有利。有功節(jié)電主要節(jié)省的是電動機自身損耗的一部分，隨著負載率的上升而銳減:負載系數(shù)β=0.1時，有功節(jié)電率為15%;β=0.2時為5.3%;β=0.3時僅為2.1%。按照國標gb12497-1995的規(guī)定，綜合節(jié)電為△p+kq△q，其中kq為無功經(jīng)濟當量，其值規(guī)定為:電動機直連發(fā)電機母線時取0.02～0.04;經(jīng)二次變壓時取0.05～0.07;經(jīng)三次變壓時取0.08～0.1。一般抽油機電動機均經(jīng)三次以上變壓，可取為0.1，也即每節(jié)省10kvar的無功功率，可折合為1kw的有功功率計算。由于降壓節(jié)能時電動機的轉(zhuǎn)速基本上不變，軸上的負載也不變，則電動機的輸出軸功率是不會改變的，節(jié)省的只是電動機自身損耗的一部分，表1中第七欄綜合節(jié)電率的計算應為表中第五欄的數(shù)據(jù)除以當時的負載功率與第六欄的損耗功率之和的結(jié)果，并非為節(jié)省的綜合有功功率與電動機額定功率之比！這是一個概念誤區(qū)，有些用戶在計算節(jié)電效益時，往往用電動機的額定功率乘以節(jié)電率再乘以運行時間來計算節(jié)省的電能(度)數(shù)，這是錯誤的。
由表1可見，當負載率為β=0.4時，其綜合節(jié)電率為2.22%，其節(jié)省的功率并非為pn×2.22%=35.52kw，而應當為β=0.4時的負載功率pn×0.4加上電動機當u=un時的功率損耗σpn=72.83kw，來乘以綜合節(jié)電率2.22%，即(1600×0.4+72.83)×2.22%=15.8kw。有些制造商也常常用這一模糊概念欺騙用戶，應加以注意。
通過降壓對電動機實現(xiàn)軟起動的目的，一是減少起動時過大的沖擊電流，二是減小全壓起動時過大的機械沖擊。那么在抽油機上使用降壓軟起動裝置，其效果究意如何？由于電動機的轉(zhuǎn)矩與所加電壓的平方成正比，所加的電壓降低了，電動機的轉(zhuǎn)矩達不到負載的起動轉(zhuǎn)矩時，電動機是轉(zhuǎn)不起來的，而且電動機的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩一般小于額定轉(zhuǎn)矩，降壓對起動就更加不利了。當電壓升到額定電壓的70%時，電動機轉(zhuǎn)矩只有額定轉(zhuǎn)矩的50%，對于起動轉(zhuǎn)矩超過50%額定轉(zhuǎn)矩的負載，是轉(zhuǎn)不起來的。只有當電壓升高到電動機的轉(zhuǎn)矩足以克服負載的靜轉(zhuǎn)矩時，電動機才能啟動。所以星/三角起動器只適合起動轉(zhuǎn)矩小于三分之一額定轉(zhuǎn)矩的負載，一般的軟起動器也只適合起動轉(zhuǎn)矩小于50%額定轉(zhuǎn)矩的負載，對于重載起動的負載就降低起動電流來說，軟起動器也是無能為力的。
上面的分析僅僅局限于對減小起動電流的討論，對需重載起動的負載，雖然使用軟起動器并不能達到減小起動電流的目的，當然更不能達到節(jié)省起動能量的作用;但是由于軟起動器的電壓是呈鈄坡上升的，雖然在達到起動轉(zhuǎn)矩前電動機并不旋轉(zhuǎn)，但隨著電動機軸上扭矩的不斷增大，被拖動的負載是慢慢被加力的，所以用軟起動器起動需重載起動的負載時，同樣可以達到減小機械沖擊的目的。所以對于抽油機來講，使用軟起動器來起動，不一定能達到減小沖擊電流的目的，但可以達到減小起動時機械沖擊的目的，還是有一定作用的。
在某些宣傳降壓節(jié)能產(chǎn)品的文章中，提到在抽油機處于發(fā)電狀態(tài)時，可以通過調(diào)整可控硅的導通角改善瞬時過電壓的問題，事實上也不盡然。當異步電動機由于負載超速而變成異步發(fā)電機運行時，是會產(chǎn)生瞬間過電壓，使電動機端電壓高于供網(wǎng)電壓，但由于供電網(wǎng)可以看成是一個無窮大的電源系統(tǒng)，當穩(wěn)態(tài)運行時，電機端電壓只是略高于供網(wǎng)電壓，以便能量反饋。這時調(diào)整可控硅的導通角β，只能調(diào)整電流，即異步發(fā)電機的負荷，對于抑制過電壓并無效果。
4 無功就地補償節(jié)能型
交流異步電動機的無功就地補償就是將補償電容器組直接與電動機并聯(lián)運行，電動機啟動和運行時所需的無功功率由電容器提供，有功功率則仍由電網(wǎng)提供，因而可以最大限度地減少拖動系統(tǒng)的無功功率需求，使整個供電線路的容量及能量損耗、導線截面、有色金屬消耗量，以及開關(guān)設備和變壓器的容量都相應減小，而供電質(zhì)量卻得以提高。
無功就地補償只對長期空載或輕載運行的電動機有用，對于重載運行的電動機，因為其本身功率因數(shù)較高，沒有補償?shù)谋匾?。由于抽油機大部分處于輕載運行的狀況，且由于其分散性，低壓輸電線路較長，本身功率因數(shù)又偏低，無功就地補償?shù)男Ч^好。對于抽油機這樣的負載，負載頻繁變化，沒有必要采用自動投切的電容器組補償，這樣會增加成本，降低可靠性，是得不償失之舉。只要根據(jù)電機容量及平均負載率，選配一只適當容量的電容器進行固定補償就行了，既經(jīng)濟又實用。由于目前市售的補償電容器質(zhì)量都不好，壽命都不長，因此應當選用質(zhì)量較好的自愈式電容，并有自放電回路的產(chǎn)品。
5 超高轉(zhuǎn)差率多速節(jié)能電動機拖動裝置
5.1 作為節(jié)能措施的應用
抽油機由于其特殊的運行要求，所匹配的拖動裝置必須同時滿足三個最大的要求，即最大沖程、最大沖次、最大允許掛重。另外還需具有足夠的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，以克服抽油機啟動時嚴重的靜不平衡。因此往往抽油機在設計時確定的安裝容量裕度較大。如6型抽油機配y200l-6/18.5kw，10型抽油機配y250m-6/30kw等。20世紀80年代中分別引進國外超高轉(zhuǎn)差電動機(cjt)和超高轉(zhuǎn)差多極電動機(cdjt)技術(shù)，對抽油機拖動裝置進行了大量的科學實驗、測試和分析，證明抽油機匹配cdjt節(jié)能拖動裝置具有顯著的節(jié)能效果。
(1) 降低抽油機拖動裝置的安裝容量裕量就是一個節(jié)能體現(xiàn)。功率匹配變化見表2。
由表2可知，由于所匹配功率下降，其對應的額定電流相應下降。網(wǎng)絡、電機繞組的銅耗與電流平方成正比。電流的下降自然帶來了損耗的降低而達到節(jié)能。
(2) cjt裝置軟的機械特性造就了抽油機運行過程中電動機功率的有功分量和無功分量的變化，促使輸入功率的降低。
分析圖4，普通電動機的m=f(s)機械曲線告訴我們，若負載超過tmax，則電動機不能正常運行，因此轉(zhuǎn)速變化在n～n0范圍變化較小。而cjt電動機的機械轉(zhuǎn)動曲線告訴我們，t2st大于tst，且速度變化范圍大，從0～n0均能運轉(zhuǎn)。
圖4 m-s曲線
圖4中: 1—普通電動機的m=f(s)函數(shù)曲線;
2—cjt電動機的m=f(s)函數(shù)曲線
th—普通電動機的額定轉(zhuǎn)矩;
tmax—普通電動機的最大轉(zhuǎn)矩;
tst—普通電動機的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩;
t2st—cjt電動機的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩;
nh—普通電動機額定轉(zhuǎn)矩對應的異步轉(zhuǎn)速;
n’—普通電動機最大轉(zhuǎn)矩對應的轉(zhuǎn)速
電機機械特性的軟、硬就是指轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩變化的大小?！坝病?，速度變化小;“軟”，速度變化大。
普通電動機的機械特性較硬，在一定負載下，轉(zhuǎn)速n(或角速度ω)較大;cjt電動機機械特性較軟，在同一負載下，轉(zhuǎn)速n(或角速度ω)較低，即轉(zhuǎn)差率較大，具有降低扭矩峰值，減小抽油機懸點沖擊載荷的作用。因此，在某些工況具有節(jié)能效果。
另外，通過圖5，效率、功率因數(shù)與輸出軸功率之間的函數(shù)關(guān)系分析:
a) 普通電動機的η、cosψ曲線陡峭。
b) cjt電動機的η、cosψ曲線平坦。
c) 普通電動機在額定輸出功率點，η、cosψ較高，運行最經(jīng)濟。
d) 在輕負載時，普通電動機的η、cosψ較低，cjt電動機η、cosψ較高。
圖5中: 1，2—分別為普通電動機的η、cosφ;
3，4—分別為cjt電動機的η、cosφ;
○—額定負載時的η、cosφ;
×○—輕載時的η、cosφ。
從前面的介紹可知，抽油機固有的設計及運行特點與現(xiàn)場實際運行工況相比，不可避免地出現(xiàn)了大馬拉小車的不合理匹配。抽油機維持在ph點的負載，在現(xiàn)場從未出現(xiàn)，絕大部分負載在電動機額定功率(指輸出功率)20%～30%左右。對普通電動機而言，如此運行，其效率和功率因數(shù)特低。對cjt電動機來講，由于曲線平坦，η、cosψ在負載變化情況下，其值變化不大，從而相對來講其η、cosψ高于普通電動機，致使有功功率降低，功率因數(shù)提高。因此，就節(jié)能而言，抽油機匹配超高轉(zhuǎn)差電動機是合理的。當然，轉(zhuǎn)差率的高低，機械特性的軟硬是否越高越好、越軟越好。對于這一問題，我們認為新技術(shù)的成立與否是通過生產(chǎn)實踐驗證的。轉(zhuǎn)差率高低，機械特性軟硬均應適度，否則對其實用性、可靠性帶來不利影響。
圖5 η=f(p)曲線
(3) 軟的機械特性造就了抽油機懸點最大負荷降低，抽油泵上行速度緩慢，抽油桿的彈性變形減小，從而使抽油泵的填充系數(shù)增加，吸液量增大，每沖次來油量增加，使單位液耗電能降低。
大量的資料證明，抽油機匹配超高轉(zhuǎn)差電動機，具有顯著節(jié)能效果，而cdjt變極多速電動機在抽油機應用上其節(jié)能效果則更上一層樓。它通過轉(zhuǎn)速的切換而直接導致功率的切換。如6型抽油機原匹配電動機18.5kw，更換為cdjt-5c型變極多速電動機，其功率轉(zhuǎn)換為8/12/16kw三個功率等級，其裝機容量分別降低13.5%、35.14%、56.76%，額定電流分別降低15.4%、28%、31.4%。通過功率切換其節(jié)能效果非常明顯地展現(xiàn)出來。
5.2 作為調(diào)參(調(diào)沖)措施的應用
油田在采油過程中，從工藝或某些特定條件的需要出發(fā)，要調(diào)整沖次，過去和現(xiàn)在均采用較笨重的辦法，由專業(yè)人員到現(xiàn)場拆換皮帶輪的辦法來實現(xiàn)。整個過程需停機進行，執(zhí)行該任務費事、費時，勞動強度大。采用cdjt變極變速拖動裝置，則可由采油工在幾秒鐘中內(nèi)非常方便地按下按鈕就可實現(xiàn)調(diào)沖目的，且不影響生產(chǎn)。特別是有的油田需經(jīng)常調(diào)沖的區(qū)塊采用該型產(chǎn)品，倍感方便，深受現(xiàn)場生產(chǎn)組織者的歡迎。
5.3 cjt抽油機節(jié)能拖動裝置所具有的軟機械性能
改善了抽油機驢頭懸點負荷的不均衡性，特別是啟動瞬間及過程，降低了對抽油機結(jié)構(gòu)件、傳動系統(tǒng)的沖擊，降低了設備的維修費用，延長了抽油機的使用壽命。
6 變頻調(diào)速節(jié)能
當油井的地下滲透能力小于抽油機的泵排量時(絕大多數(shù)油井如此)，為了提高抽吸效率，降低單位產(chǎn)量的能耗指標，最直接的辦法是實行間抽。但是大多數(shù)的油井是不允許間歇性工作的，因為如果長時間停機的話，輕則會影響產(chǎn)油量，重則會使油井無法再開啟。
含蠟量高或含鹽量高以及油的粘稠度高，且地處高寒地區(qū)的油井，如果間歇工作，會造成井口結(jié)蠟、結(jié)鹽或結(jié)油的后果，使油井無法再開啟。
對于注水油井，如果停止抽取，勢必會影響產(chǎn)油量，這將是得不償失的事，對于這類油井，就要采用其它的節(jié)能方法。
為了使抽油泵的排量與油井的滲透能力相適應，可以采用改變抽油機的電動機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。抽油泵是一種柱塞泵，對電動機來講是一種恒轉(zhuǎn)矩負載，也即電動機的電功率與其轉(zhuǎn)速成正比。這里注意的一點是:有人一說到泵，就想當然地認為和風機、水泵一樣屬于平方轉(zhuǎn)矩型負載了，或者說“近似于泵類負載”，這都是錯誤的。要知只有葉片式的風機和水泵，在不計其靜扭矩時，有近似于平方轉(zhuǎn)矩的負載特性。
隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，低壓變頻器已是十分成熟的電氣產(chǎn)品，并且其價格也已經(jīng)大幅度下降，目前進口變頻器的價格約為600～700元/kw。國產(chǎn)變頻器的價格在400～500元/kw，在抽油機上大量推廣變頻調(diào)速節(jié)能改造已經(jīng)成為可能。抽油機改用變頻器拖動以后有以下幾個好處:
(1) 動態(tài)調(diào)整抽取速度
可根據(jù)油井的實際供液能力，動態(tài)調(diào)整抽取速度，一方面達到節(jié)能目的，同時還可以增加原油產(chǎn)量。
(2) 實現(xiàn)了真正的軟起動，提高了生產(chǎn)效率
由于實現(xiàn)了真正的軟起動，對電動機、變速箱、抽油機都避免了過大的機械沖擊，大大延長了設備的使用壽命，減少了停產(chǎn)時間，提高了生產(chǎn)效率。
(3) 大大提高了功率因數(shù)
大大提高了功率因數(shù)(可由原來的0.25-0.5提高到0.9以上)，從而大大減少了供電電流，減輕了電網(wǎng)及變壓器的負擔，降低了線損，挖掘出大量的“擴容”潛力。
但是，將變頻器用于抽油機拖動時，也有幾個問題需要解決，主要是沖擊電流問題和再生能量的處理問題，下面分別加以分析。
6.1沖擊電流問題
如圖2所示，游梁式抽油機是一種變形的四連桿機構(gòu)，其整機結(jié)構(gòu)特點像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對于支架來說，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動力就可以使抽油機連續(xù)不間斷地工作。也就是說抽油機的節(jié)能技術(shù)取決于平衡的好壞。在平衡率為100%時電動機提供的動力僅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，則需要電動機提供的動力越大。因為抽油載荷是每時每刻都在變化的，而平衡配重不可能和抽油載荷作完全一致的變化，才使得游梁式抽油機的節(jié)能技術(shù)變得十分復雜。因此可以說:游梁式抽油機的節(jié)能技術(shù)就是平衡技術(shù)。
據(jù)筆者對某油田18口井的調(diào)查，只有1、2口井的配重平衡較好，絕大部分抽油機的配重嚴重不平衡，其中有10口井的配重偏小，另有6口井配重又偏大，從而造成過大的沖擊電流，沖擊電流與工作電流之比最大可超過5倍，甚至超過額定電流的3倍！不僅無謂浪費掉大量的電能，而且嚴重威脅到設備的安全。同時也給采用變頻器調(diào)速控制造成很大的困難:一般變頻器的容量是按電動機的額定功率來選配的，過大的沖擊電流會引起變頻器的過載保護，不能正常工作。
通過對抽油機曲柄配重塊的調(diào)整，都可以使沖擊電流降到電機額定電流之內(nèi)，沖擊電流與正常工作電流之比在1.5倍以內(nèi)。這樣，選用與電機額定功率同容量的變頻器，甚至略小于電機額定功率的變頻器(要視抽油機電動機的負載率而定)都可以長期穩(wěn)定運行。
由于抽油機的起動扭矩往往很大，慣性也很大，所以要將變頻器的加減速時間設置得足夠長，一般為30～50秒，才不致在起動時引起過載保護。
6.2 再生能量的處理問題
由于抽油機屬位能性負載，尤其當配重不平衡時，在抽油機工作的一個沖程周期中，會出現(xiàn)電動機處于再生制動工作狀態(tài)(發(fā)電狀態(tài))，電動機由于位能或慣性，其轉(zhuǎn)速會超過同步速，再生能量通過與變頻器逆變橋功率開關(guān)器件(igbt)并聯(lián)的續(xù)流二極管的整流作用，反饋到直流母線。由于交一直一交變頻器的直流母線采用普通二級管整流橋供電，不能向電網(wǎng)回饋電能，所以反饋到直流母線的再生能量只能對濾波電容器充電而使直流母線電壓升高，稱作“泵升電壓”。直流母線電壓過高時將會對濾波電容器和功率開關(guān)器件構(gòu)成威脅，為了保護電容器及功率開關(guān)器件的安全，所以變頻器都設置了“oud”保護——直流母線電壓高保護停機功能。
(1) 一種辦法是增大變頻器直流母線上濾波電容器的容量，將再生能量儲存起來，等電動狀態(tài)時再釋放給電動機作功。這種方法對節(jié)能有利，但是電容器的儲能作用是有限的;譬如，某抽油機電動機的平均功率以10kw計算，回饋功率以25%計算為2.5kw，在一個沖程周期中發(fā)電狀態(tài)為2～3秒鐘的話，則回饋能量ad=6000焦耳。若采用15kw的變頻器，其直流母線濾波電容的容量為2200μf，正常工作時直流母線電壓小于600v(us)，“oud”保護電壓(usm)為800v，那么as=cusm2-cus2=×2200×10-6×(640000-360000)=308焦耳，比起6000焦耳的回饋能量來小得多了。即使再增加10,000μf的濾波電容，也只能儲能1400焦耳，因此在大容量或者負載慣量大的系統(tǒng)中，不可能只靠濾波電容器來限制泵升電壓。
(2) 第二種辦法是采用“放”的辦法，可以采用由分流電阻器rp和開關(guān)管vb組成的泵升電壓限制電路，如圖6所示。
圖6 泵升電壓限制電路
也就是將回饋能量消耗在電阻上，這是一種耗能的方法，對節(jié)能不利。尤其是在大容量或者大慣量拖動系統(tǒng)中，能量的損失較大。當然也可以采用現(xiàn)成的變頻器選件:制動單元和制動電阻來實現(xiàn)，其原理與圖6是一樣的，只是投資更大，耗能也更大而已。
(3) 對于地處北方寒冷地區(qū)的抽油機，為了在冬季增加原油的流動性和防止結(jié)蠟，對井口回油管進行電加熱，如中頻電加熱裝置，這時也可將變頻器與中頻電加熱裝置共用整流電路及直流母線，這樣可將電動機回饋到直流母線上的再生能量用于中頻加熱器，同時又防止了直流母線電壓的泵升。
(4) 對于同一井場上有多口油井的場所，可以采用共用直流母線系統(tǒng)方案:即若干臺抽油機的變頻器可共用一臺整流器，將其直流母線聯(lián)結(jié)在一起，利用各變頻器的回饋能量不可能在同時發(fā)生的原理，將某一臺變頻器的回饋能量作為其它變頻器的動力。這樣即節(jié)約了能量，又防止了泵升電壓的產(chǎn)生。如圖7所示。
(5) 對于更大功率的系統(tǒng)，為了回饋再生能量，提高效率，可以采用能量回饋裝置，將再生能量回饋電網(wǎng)，當然這樣一來，系統(tǒng)就更復雜，投資也就更高了。所謂的能量回饋裝置，其實就是一臺有源逆變器。按采用的功率開關(guān)器件的不同又可以分為晶閘管(scr)有源逆變器及絕緣柵雙極型晶體管(igbt)逆變器兩種，它們又各自有其特點和要求。
圖7 采用公用直流母線的多逆變器系統(tǒng)主電路
a) 晶閘管有源逆變器
如圖8所示，三相橋式可控整流電路用作有源逆變時，就成為三相橋式有源逆變電路。只是電路內(nèi)電能的流向與整流時相反，直流母線輸出電功率，電網(wǎng)則吸收電功率，為了防止過電流，應滿足ud≈um的條件，ud取決于電動機的回饋能量的大小，而um則可通過導通角a(或稱為逆變角β，β=π-a)
圖8 采用晶閘管有源逆變器的再生能量回饋系
來進行調(diào)節(jié)，由于逆變時um為負值，故a在逆變時的范圍應為π/2～π之間(或β為π/2～0之間)。其實由于電感性負載及變壓器漏抗的影響，最小逆變角βmin≥π/6。
從上述的分析可見，逆變的條件有二:其一要有直流電壓存在，其極性須和晶閘管的導通方向一致，其值則應稍大于變流器直流側(cè)的平均電壓um;其二要求晶閘管的導通角α＞π/2，使um為負值，兩者必須同時具備才能實現(xiàn)有源逆變。晶閘管有源逆變器的關(guān)鍵是交直流側(cè)的電壓匹配，否則也無法實現(xiàn)有源逆變。由于
um=-2.34u2cosβ(或=-1.35u2l cosβ) (1)
若逆變器交流側(cè)直接接到380v交流電源，且最小逆變角取β=π/6，則um max=480v左右，而變頻器直流母線電壓在正常工作時為540v左右，ud＞um,會形成能量在變頻器整流器—逆變器—電網(wǎng)之間無謂循環(huán)，且會使直流母線電壓降低，減小了變頻器的輸出功率。而我們要求的是:當回饋能量較小時，能量回饋裝置不工作，讓能量儲存在濾波電容器中，當直流母線電壓達到某一設定值時(如ud＞670v)，能量回饋裝置才開始工作，將多余的能量回饋電網(wǎng)。根據(jù)(1)式反算過去，逆變變壓器付邊的線電壓應大于540v，相電壓應大于300v，才能實現(xiàn)電壓匹配。
b) igbt有源逆變器，雖然其主電路結(jié)構(gòu)與變頻器中的無源逆變器基本相同，但是其功能和控制方法是大不相同的。變頻器中的無源逆變器的負載是三相交流電動機，其輸出頻率、電壓、相位都可以由變頻器隨意控制;而igbt有源逆變器的輸出接的是交流電網(wǎng)，是有源負載，其輸出頻率、相位和電壓都必須與電網(wǎng)一致，否則會造成短路而燒毀逆變器。所以在igbt有源逆變器的控制中增加了鑒頻、鑒相器和鎖相環(huán)控制。電壓則由pwm控制，比晶閘管有源逆變器容易實現(xiàn)。另外在輸出端接有交流電抗器，用來抑制過電流。
采用可四象限運行的變頻器，如圖9所示其控制就更復雜，投資也更高了。
6.3 電磁兼容性問題
這里主要講電磁干擾(emi)問題，即變頻器對微電腦控制器，傳感(變送)器及通訊設備的干擾問題。因為變頻器是一個很強的電磁干擾源，變頻器中的開關(guān)電源，以及產(chǎn)生的spwm電壓波形，會對控制及通訊系統(tǒng)造成很大的干擾。干擾的途徑，除了感應、輻射之外，也包括傳導干擾，即通過連接導線傳導的干擾。在控制系統(tǒng)中，變頻器只是一個執(zhí)行機構(gòu)，它的運行頻率(速度)指令要由控制器通過對油井產(chǎn)液量等信號的控制運算后向變頻器發(fā)出，變頻器設置成根據(jù)外部信號運行的工作方式。變頻器就通過這根信號線，給微電腦控制器造成了很大的干擾，以致使控制器無法正常工作。
因為是傳導性干擾，采用屏蔽線是不解決問題的，要從信號線上的共模及差模干擾入手，如圖10所示，才能真正解決干擾問題。
6.4 閉環(huán)控制判據(jù)
抽油機利用變頻器調(diào)速，使之動態(tài)適應油井負荷的變化，達到節(jié)電的目的，必須要加外部傳感器，否則無法實現(xiàn)閉環(huán)智能控制，只能實現(xiàn)人工定值控制。所采用的傳感器的類型，與間抽控制器大體相同，但是在要求上是有差別的。
圖10 信號線抗干擾措施
(1) 流量檢測是最直觀、最準確的方法，如果能實現(xiàn)小流量檢測并解決防堵問題，應盡量采用流量傳感器。
(2) 光桿載荷傳感器也能用來檢測井下液量的多少，與間抽控制不同的是，閉環(huán)調(diào)速控制只要求載荷的變化趨勢，不需要標定空抽設定值。光桿的平均載荷大，說明井下液量少，應減速運行，反之則可加速運行。
(3) 電流控制不可取，因為這里除了配重的影響外，當電機調(diào)速時，電流也是隨著變化的，因此不能將電流信號用作控制依據(jù)。
6.5 可靠性和環(huán)境適應性問題
由于抽油機都在環(huán)境惡劣的野外工作，并且很多油井是無人值守的，所以對變頻器的可靠性和環(huán)境適應能力提出了很高的要求。一方面要選用可靠性指標高的變頻器品牌，同時也要給變頻器在野外惡劣環(huán)境下工作創(chuàng)造必要的條件。如設計防護等級高的雙層密閉隔墊(保溫)控制柜，柜內(nèi)設計強迫風冷系統(tǒng)，可以將柜內(nèi)的熱量排出，并在柜底設計有冷空氣入口，使之適合在夏季沙漠高溫環(huán)境中使用。如有條件，可建造控制柜小屋，使控制柜避免陽光直接照射及雨淋。
7 結(jié)束語
(1) 抽油機在油田的使用量大，而負載率普遍偏低，功率因數(shù)則更低，電能的無謂浪費嚴重，節(jié)能降耗潛力巨大。
(2) 間抽控制器在低產(chǎn)油井上節(jié)能效果明顯，同時因為其投資少、體積小，便于安裝，因此推廣應用的經(jīng)濟性很好。
(3) 對于負載率在30%以下的油井，采用星/三角轉(zhuǎn)換控制的節(jié)能效果明顯，且控制簡單，投資省，具有推廣價值。
(4) 可控硅軟起動、調(diào)壓節(jié)能，節(jié)省的只是電動機自身損耗的一部分，節(jié)能效益與其投資不成比例，且因為其產(chǎn)生的大量諧波，對電網(wǎng)及電機均有影響，因此不宜推廣。
(5) 高轉(zhuǎn)差率多極電機拖動系統(tǒng)，節(jié)能效果明顯，且能適應油井調(diào)參要求，軟的機械特性對延長抽油機壽命有利，是很受油田歡迎的電氣拖動裝置。
(6) 變頻調(diào)速拖動系統(tǒng)，通過調(diào)速使抽油機動態(tài)適應油井負荷變化，也可方便地進行調(diào)參。配以流量、載荷等傳感器，可實現(xiàn)最經(jīng)濟的控制。同時其軟起動性能好，對延長抽油機壽命，減少維護費用有利。節(jié)能效果最好，能耗基本上與轉(zhuǎn)速成正比，只要降速，肯定節(jié)能。是抽油機節(jié)能電控裝置的發(fā)展方向。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，其價格將進一步降低，性能將進一步提高。
(7) 抽油機節(jié)能電控裝置的發(fā)展方向是節(jié)能效果好，能與油井負荷相匹配，并有完善的保護功能。有數(shù)據(jù)采集和存儲功能，聯(lián)網(wǎng)和通訊功能，以及遙控遙測功能。并能適應油田的環(huán)境要求，操作簡單，智能化程度高。
參考文獻
[1] 張學魯?shù)? 游梁式抽油機技術(shù)與應用[m]. 北京:石油工業(yè)出版社,2001年。
[2] 當代有桿泵抽油系統(tǒng)[m]. 北京:石油工業(yè)出版社 2000年。
作者簡介
徐甫榮(1946-) 男 1970年畢業(yè)于西安交通大學電機工程系發(fā)電廠電力網(wǎng)及電力系統(tǒng)專業(yè)，現(xiàn)為國家電力公司熱工研究院教授級高級工程師。主要從事火電廠熱工自動化及電機系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的研究工作。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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