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关键词：抽油机；节能；电控装置
5 超高转差率多速节能电动机拖动装置
5.1 作为节能措施的应用
抽油机由于其特殊的运行要求，所匹配的拖动装置必须同时满足三个最大的要求，即最大冲程，最大冲次，最大允许挂重。另外，还须具有足够的堵转转矩，以克服抽油机启动时严重的静态不平衡。因此，往往抽油机在设计时确定的安装容量裕度较大。如6型抽油机配Y200L?6/18.5kW，10型抽油机配Y250M?6/30kW等。20世纪80年代中分别引进国外超高转差电动机（CJT）和超高转差多极电动机（CDJT）技术，对抽油机拖动装置进行了大量的科学实验，测试和分析，证明抽油机匹配CDJT节能拖动装置具有显著的节能效果。
其一，降低抽油机拖动装置的安装容量裕量就是一个节能体现。功率匹配变化见表2。
表2 功率匹配变化
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抽油机型号 |
6型 |
10型 |
12型 |
14型 |
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原匹配电动机 |
Y200L1－6 |
Y250m-6 |
Y280M-8 |
Y315M1-8 |
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电动机 |
18.5kW |
30kW |
55kW |
75kW |
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替换电动机 |
CJT－616kW |
CJT－10A22kW |
CJT－12A45kW |
CJT－1465kW |
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功率下降率/％ |
13.5 |
26.7 |
18.2 |
13 |
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电流下降率/％ |
10 |
26.3 |
15 |
18.8 |
由表2可知，由于所匹配功率下降，其对应的额定电流相应下降。网络及电机绕组的铜耗与电流平方成正，电流的下降自然带来了损耗的降低而达到节能。
其二，CJT装置软的机械特性造就了抽油机运行过程中电动机功率的有功分量和无功分量的变化，促使输入功率的降低。
分析图6，普通电动机的T=f（s）机械曲线告诉我们，若负载超过Tmax，则电动机不能正常运行，因此，转速在n～n0范围变化较小。而CJT电动机的机械转动曲线告诉我们，T2st>Tst，且速度变化范围大，从0～n0均能运转。
电机机械特性的软、硬就是指转速随转矩变化的大小。“硬”，速度变化小；“软”，速度变化大。
普通电动机的机械特性较硬，在一定负载下，转速n（或角速度ω）较大；CJT电动机机械特性较软，在同一负载下，转速n（或角速度ω）较低，即转差率较大，具有降低扭矩峰值，减小抽油机悬点冲击载荷的作用。因此，在某些工况具有节能效果。
另外，通过对图7所示效率，功率因数与输出轴功率之间的函数关系分析可知：
1）普通电动机的η及cosψ曲线陡峭；
2）CJT电动机的η及cosψ曲线平坦；
3）普通电动机在额定输出功率点，η及cosψ较高，运行最经济；
4）在轻负载时，普通电动机的η及cosψ较低，CJT电动机的η及cosψ较高。
从前面的介绍可知，抽油机固有的设计及运行特点与现场实际运行工况相比，不可避免地出现了大马拉小车的不合理匹配。抽油机维持在PH点的负载，在现场从未出现过，绝大部分负载在电动机额定功率（指输出功率）20％～30％左右。对普通电动机而言，如此运行，其效率和功率因数特低。对CJT电动机来讲，由于曲线平坦，η及cosψ在负载变化情况下，其值变化不大，从而相对来讲其η及cosψ高于普通电动机，致使有功功率降低，功率因数提高。因此，就节能而言，抽油机匹配超高转差电动机是合理的。当然，转差率的高低，机械特性的软硬是否越高越好、越软越好？对于这一问题，我们认为新技术的成立与否是通过生产实践验证的。转差率高低，机械特性软硬均应适度，否则对其实用性、可靠性带来不利影响。
其三，软的机械特性造就了抽油机悬点最大负荷降低，抽油泵上行速度缓慢，抽油杆的弹性变形减小，从而使抽油泵的填充系数增加，吸液量增大，每冲次来油量增加，使单位液耗电能降低。
大量的资料证明，抽油机匹配超高转差电动机，具有显著节能效果，而CDJT变极多速电动机在抽油机应用上其节能效果则更上一层楼。它通过转速的切换而直接导致功率的切换。如6型抽油机原匹配电动机18.5kW，更换为CDJT?5C型变极多速电动机，其功率转换为8/12/16kW三个功率等级，其装机容量分别降低13.5％，35.14％，56.76％，额定电流分别降低15.4％，28％，31.4％。通过功率切换其节能效果非常明显地展现出来。
5.2 作为调参（调冲）措施的应用
油田在采油过程中，从工艺或某些特定条件的需要出发，要调整冲次，过去和现在均采用较笨重的办法，由专业人员到现场拆换皮带轮的办法来实现。整个过程需停机进行，执行该任务费事、费时，劳动强度大。采用CDJT变极变速拖动装置，则可由采油工在几秒钟中内非常方便地按下按钮就可实现调冲目的，且不影响生产。特别是有的油田需经常调冲的区域采用该型产品，倍感方便，深受现场生产组织者的欢迎。
5.3 降低设备维修费用
CJT抽油机节能拖动装置所具有的软机械性能，改善了抽油机驴头悬点负荷的不均衡性，特别是启动瞬间及启动过程，降低了对抽油机结构件、传动系统的冲击，降低了设备的维修费用，延长了抽油机的使用寿命。
6 变频调速节能
当油井的地下渗透能力小于抽油机的泵排量时（绝大多数油井如此），为了提高抽吸效率，降低单位产量的能耗指标，最直接的办法是实行间抽。但是大多数的油井是不允许间歇性工作的，因为如果长时间停机的话，轻则会影响产油量，重则会使油井无法再开启。这是因为：
1）含蜡量高或含盐量高以及油的粘稠度高，且地处高寒地区的油井，如果间歇工作，会造成井口结蜡、结盐或结油的后果，使油井无法再开启；
2）对于注水油井，如果停止抽取，势必会影响产油量，这将是得不偿失的事，对于这类油井，就要采用其它的节能方法。
为了使抽油泵的排量与油井的渗透能力相适应，可以通过改变抽油机的电动机转速来实现。抽油泵是一种柱塞泵，对电动机来讲是一种恒转矩性的负载，也即电动机的电功率与其转速成正比。这里要提醒注意的一点是:有人一说到泵，就想当然地认为和风机、水泵一样属于平方转矩型负载了，或者说“近似于泵类负载”，这都是错误的。要知只有叶片式的风机和水泵，在不计其静扭矩时，有近似于平方转矩的负载特性，也即：排量与转速成正比，压头（或扬程）与转速的平方成正比，而轴功率则与转速的立方成正比。
随着现代电力电子技术的发展，低压变频器已是十分成熟的电气产品，并且其价格也已经大幅度下降，目前进口变频器的价格约为600～700元/kW。国产变频器的价格在400～500元/kW，在抽油机上大量推广变频调速节能改造已经成为可能。抽油机改用变频器拖动以后有以下几个好处：
1）可根据油井的实际供液能力，动态调整抽取速度，一方面达到节能目的，同时还可以增加原油产量；
2）由于实现了真正的软起动，对电动机、变速箱，抽油机都避免了过大的机械冲击，大大延长了设备的使用寿命，减少了停产时间，提高了生产效率；
3）大大提高了功率因数（可由原来的0.25～0.5提高到0.9以上），从而大大减少了供电电流，减轻了电网及变压器的负担，降低了线损，挖掘出大量的“扩容”潜力。
但是，将变频器用于抽油机拖动时，也有几个问题需要解决，主要是冲击电流问题和再生能量的处理问题，下面分别加以分析。
6.1 冲击电流问题
如图2（见第3期P183）所示，游梁式抽油机是一种变形的四连杆机构，其整机结构特点像一架天平，一端是抽油载荷，另一端是平衡配重载荷。对于支架来说，如果抽油载荷和平衡载荷形成的扭矩相等或变化一致，那么用很小的动力就可以使抽油机连续不间断地工作。也就是说抽油机的节能技术取决于平衡的好坏。在平衡率为100％时电动机提供的动力仅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，则需要电动机提供的动力越大。因为抽油载荷是每时每刻都在变化的，而平衡配重不可能和抽油载荷作完全一致的变化，才使得游梁式抽油机的节能技术变得十分复杂。因此，可以说游梁式抽油机的节能技术就是平衡技术。
据笔者对某油田18口井的调查，只有1～2口井的配重平衡较好，绝大部分抽油机的配重严重不平衡，其中有10口井的配重偏小，另有6口井配重又偏大，从而造成过大的冲击电流，冲击电流与工作电流之比最大可超过5倍，甚至超过额定电流的3倍！不仅浪费掉大量的电能，而且严重威胁到设备的安全。同时，也给采用变频器调速控制造成很大的困难，一般变频器的容量是按电动机的额定功率来选配的，过大的冲击电流会引起变频器的过载保护，不能正常工作。
通过对抽油机曲柄配重块的调整，可以使冲击电流降到电机额定电流之内，冲击电流与正常工作电流之比在1.5倍以内。这样，选用与电机额定功率同容量的变频器，甚至略小于电机额定功率的变频器（要视抽油机电动机的负载率而定）都可以长期稳定运行。
由于抽油机的起动扭矩往往很大，惯性也很大，所以要将变频器的加减速时间设置得足够长，一般为30～50s，才不致在起动时引起过载保护。
6.2 再生能量的处理问题
由于抽油机属位能性负载，尤其当配重不平衡时，在抽油机工作的一个冲程中，会出现电动机处于再生制动工作状态（发电状态），电动机由于位能或惯性，其转速会超过同步速，再生能量通过与变频器逆变桥开关器件（IGBT）并联的续流二极管的整流作用，反馈到直流母线。由于交—直—交变频器的直流母线采用普通二级管整流桥供电，不能向电网回馈电能，所以反馈到直流母线的再生能量只能对滤波电容器充电而使直流母线电压升高，称作“泵升电压”。直流母线电压过高时将会对滤波电容器和功率开关器件构成威胁，为了保护电容器及功率开关器件的安全，所以，变频器都设置了“OUD”保护——直流母线电压高保护停机功能。
1）一种办法是增大变频器直流母线上滤波电容器的容量，将再生能量储存起来，等电动状态时再释放给电动机作功。这种方法对节能有利，但是电容器的储能作用是有限的；譬如，某抽油机电动机的平均功率以10kW计算，回馈功率以25％计算为2.5kW，在一个冲程中发电状态为2～3s的话，则回馈能量Ad=6000J。若采用15kW的变频器，其直流母线滤波电容的容量为2200μF，正常工作时直流母线电压小于600V（Us），“OUD”保护电压（Usm）为800V，那么As=CUsm2－CUs2=×2200×10－6×(640000－360000)=308J，比起6000J的回馈能量来说小得多了。即使再增加10000μF的滤波电容，也只能储能1400J，因此，在大容量或者负载惯量大的系统中，不可能只靠滤波电容器来限制泵升电压。
2）第二种办法是采用“放”的办法，可以采用由分流电阻器Rp和开关管S11组成的泵升电压限制电路，如图8所示。
也就是将回馈能量消耗在电阻上，这是一种耗能的方法，对节能不利。尤其是在大容量或者大惯量拖动系统中，能量的损失较大。
3）对于地处北方寒冷地区的抽油机，为了在冬季增加原油的流动性和防止结蜡，而对井口回油管进行电加热，如采用中频加热装置。这时也可将变频器与中频电加热装置共用整流电路及直流母线，这样可将电动机回馈到直流母线上的再生能量用于中频加热器，同时又防止了直流母线电压的泵升。
4）对于同一井场上有多口油井的场所，可以采用共用直流母线系统方案，即若干台抽油机的变频器可共用一台整流器，将其直流母线联结在一起，利用各变频器的回馈能量不可能在同时发生的原理，将某一台变频器的回馈能量作为其他变频器的动力。这样即节约了能量，又防止了泵升电压的产生。如图9所示。
5）对于更大功率的系统，为了回馈再生能量，提高效率，可以采用能量回馈装置，将再生能量回馈电网，当然这样一来，系统就更复杂，投资也就更高了。所谓的能量回馈装置，其实就是一台有源逆变器。按采用的功率开关器件的不同又可以分为晶闸管（SCR）有源逆变器及绝缘栅双极型晶体管（IGBT）逆变器两种，它们又各有其特点和要求。
——晶闸管有源逆变器
如图10所示，三相桥式可控变流电路用作有源逆变装置，使电网吸收再生电功率。为了使有源逆变电路正常工作，并防止过电流，应满足Um>Ud，其中Ud为变频器正常工作时的直流母线电压，Um为再生直流电压，而Um可通过超前角β（β=π－α）来进行调节。由于
Um=－2.34U2cosβ（或=－1.35U21cosβ） （1）
若有源逆变器交流侧直接接到380V交流电源，且取最小超前角β=π/6，则Ummax为440V左右，而变频器直流母线电压正常工作时在510V左右，则Ud>Um。而我们要求的是，当再生能量较小时，有源逆变装置不工作，让能量储存在滤波电容器中，当直流母线电压达到某一设定值时（如Ud>670V），有源逆变装置才开始工作，将多余的能量回馈电网。根据式（1）反算过去，逆变变压器副边的线电压应大于540V，才能实现电压匹配。
——IGBT有源逆变器
虽然其主电路结构与变频器中的无源逆变器基本相同，但是其功能和控制方法是大不相同的。变频器中的无源逆变器的负载是三相交流电动机，其输出频率、电压、相位都可以由变频器随意控制；而有源逆变器的输出接的是交流电网，其输出频率、相位和电压取决于电网，所以，在IGBT有源逆变器的控制中增加了鉴频、鉴相器和锁相环控制。电压则由PWM控制，比晶闸管有源逆变器容易实现。另外在输出端接有交流电抗器，用来抑制过电流。
6）采用可四象限运行的变频器，如图11所示其控制就更复杂，投资也更高了。
6.3 电磁兼容性问题
这里主要讲电磁干扰（EMI）问题，即变频器对微电脑控制器，传感（变送）器及通信设备的干扰问题。变频器是一个很强的电磁骚扰源，变频器中的开关器件，以及SPWM电压波形，会对控制及通信系统造成很大的干扰。干扰的途径，除了感应、辐射之外，还包括传导干扰，即通过连接导线传导的干扰。在控制系统中，变频器只是一个执行机构，它的运行频率（速度）指令由控制器通过对油井液量等信号的控制运算后给予，变频器就通过控制信号线，给微电脑控制器造成了很大的干扰，以致使控制器无法正常工作。因为是传导性干扰，采用屏蔽线是不解决问题的，要从信号线上的共模及差模干扰入手，采用如图12所示的共模与差模滤波器，才能解决干扰问题。
6.4 闭环控制的采样
抽油机利用变频器调速，使之动态适应油井负荷的变化，达到节电的目的，必须要加外部传感器，否则无法实现闭环智能控制，只能实现人工定值控制。所采用的传感器的类型，与间抽控制器大体相同，但是在要求上是有差别的。
1）流量检测是最直观、最准确的方法，如果能实现小流量检测并解决防堵问题，应尽量采用流量传感器。
2）光杆载荷传感器也能用来检测井下液量的多少，与间抽控制不同的是，闭环调速控制只要求载荷的变化趋势，不需要标定空抽设定值。光杆的平均载荷大，说明井下液量少，应减速运行，反之则可加速运行。
3）电流控制不可取，因为这里除了配重的影响外，当电机调速时，电流也是随着变化的，因此不能将电流信号用作控制依据。
6.5 可靠性和环境适应性问题
由于抽油机都在环境恶劣的野外工作，并且很多油井是无人值守的，所以，对变频器的可靠性和环境适应能力提出了很高的要求。一方面要选用可靠性指标高的变频器品牌，同时也要给变频器在野外恶劣环境下工作创造必要的条件。如设计防护等级高的双层密闭隔垫（保温）控制柜，柜内设计强迫风冷系统，可以将柜内的热量排出，并在柜底设计有冷空气入口，使之适合在夏季沙漠高温环境中使用。如有条件，可建造控制柜小屋，使控制柜避免阳光直接照射及雨淋。
7 结语
1）抽油机在油田的使用量大，而负载率普遍偏低，功率因数则更低，电能的无谓浪费严重，节能降耗潜力巨大。
2）间抽控制器在低产油井上节能效果明显，同时因为其投资少，体积小，便于安装，因此推广应用的经济性很好。
3）对于负载率在30％以下的油井，采用Y/Δ转换控制的节能效果明显，且控制简单，投资省，具有推广价值。
4）晶闸管软起动及调压节能，节省的只是电动机自身损耗的一部分，节能效益与其投资不成比例，而其产生的大量谐波，对电网及电机均有影响，因此不宜推广。
5）高转差率多极电机拖动系统，节能效果明显，且能适应油井调参要求，软的机械特性对延长抽油机寿命有利，是很受油田欢迎的电气拖动装置。
6）变频调速系统，使抽油机动态适应油井负荷变化，也可方便地进行调参。配以流量、载荷等传感器，可实现最经济的控制。同时其软起动性能好，对延长抽油机寿命，减少维护费用有利。节能效果最好，能耗基本上与转速成正比，只要降速，肯定节能。是抽油机节能电控装置的发展方向。随着电力电子技术的发展，其价格将进一步降低，而性能将进一步提高。
7）抽油机节能电控装置的发展方向是节能效果好，能与油井负荷相匹配，并有完善的保护功能；有数据采集和存储功能，联网和通信功能，以及遥控遥测功能；并能适应油田的环境要求，操作简单，智能化程度高。（完）
