几种抽油机节能装置节能效果及性能比较(367)

建工 6 几种抽油机节能装置节能效果及性能比较 一、概述 自从多年前，以燃烧石油制品为动力的机器诞生以来，对石油的需求量飞速增长，也为石油工业的发展提供了契机。随着采油业的发展，产生了被广泛使用的油井举升设备——抽油机。抽油机的种类繁多，技术发明有数百种。从采油方式上可分为两类，即有杆类采油设备和无杆类采油设备。有杆类采油设备又可分为抽油杆往复运动类（国内外大量使用的游梁式抽油机和无游梁式抽油机）和旋转运动类（如电动潜油螺杆泵）。无杆类采油设备也可分为电动潜油离心泵，液压驱动类（如水力活塞泵）和气举采油设备。 我国的油田不像中东的油田那样有很强的自喷能力，多为低渗透的低能、低产油田，大部分油田要靠注水压油入井，再用抽油机把油从地层中提升上来。以水换油或者以电换油是我国油田的现实，因而，电费在我国的石油开采成本中占了相当大的比例，所以，石油行业十分重视节约电能。目前，我国抽油机的保有量在万台以上，电动机装机总容量在，每年耗电量逾百亿。抽油机的运行效率特别低，在我国平均效率为％，而国外平均水平为％，年节能潜力可达几十亿·。除了抽油机之外，油田还有大量的注水泵、输油泵和潜油泵等设备，总耗电量超过油田总用电量的％，可见，石油行业也是推广“电机系统节能”的重点行业。 抽油机节能包括节能型抽油机和抽油机节能电控装置的研制与推广两个方面，对此两大技术的研究方兴未艾。介绍和宣传的文章很多，众说纷纭，莫衷一是。厂家的产品性能介绍亦有“王婆卖瓜”之嫌。因此，有必要将目前常见的几种类型的抽油机节能电控装置作一个科学的分析比较，以供用户选用时参考。在全国各油田进行试验或已投运的节能电控装置不下数十种之多，大体上可以分为以下几个类型，下面分别加以讨论。 二、间抽控制器 由于抽油机是按照油井最大化的抽取量来进行选择的，并且还留有设计余量。另外，随着油井由浅入深的抽取，井中液面逐渐下降，泵的充满度越来越不足，直到最后发生空抽的现象，如果不加以控制，就会白白地浪费大量的电能。对于这种油井，最简单的方法是实行间抽，即当油井出液量不足或发生空抽时，就关闭抽油机，等待井下液量的蓄积，当液面超过一定深度时，再开启抽油机，这样就提高了抽油机的工作效率，避免了大量的电能浪费。 间抽控制的原始做法是派人定时到油井去开停抽油机，即使在发达国家，目前也还有不少油井采用这种人工控制方式，以便解决抽油机的低效和浪费问题。这种做法每天要派人去井场操作好几次，经过长期试验才能摸索出适合各油井的间抽规律，费工费时。于是就引入了定时钟，只须设定开、停机时间，便能自动地进行间抽控制，但是，这仍然无法解决令抽油机的业务水平动态地响应油井负荷的变化，以达到最佳的节能效果，同时，还有可能会影响油井的产量。 为了解决上述问题，通过安装相关的传感器，精确感知油井负荷的动态变化，实现智能间抽控制。为此，可采用各种不同的传感器达到控制目的，下面分别予以介绍。 液面探测器：如果能直接测出井中的液面，那么就可以用它来控制抽油机的运行。当液面高度超过泵时，就启动抽油机。当液面降到泵的吸入口处时，就关闭抽油机，避免空抽的发生。早期的方法是使用永久式的井下压力传感器来检测液面，现代则是利用声波装置从地面上自动监测井下液面深度，但是，由于装置复杂，维修费用高而没有得到普及。 流量传感器：在井口通过流量传感器检测油井的出液量，是实现抽油机控制最直接，也是最有效的方法。但是，由于国内的油井产量太低，有些油井的产量每天只有几，甚至不足，合。这么小的流量检测，对于各种类型的流量传感器来讲都是一个难题，再加上井中采出的油液中含有大量的泥沙和蜡块，经常会发生堵塞现象，因而也未能获得推广应用。 电流传感器：应当说，电机电流的检测是最方便、最可靠，也是最为廉价的方法。当发生空抽时，下冲程开始时游动阀并没有打开，光杆载荷为杆柱重量及游动阀上部液柱的重量建工 6 之和，可平衡掉大部分的配重的重量，电动机只要用很小的能量就可将杆柱送入井底，电机电流较小。当油井中泵的充满度较高时，下冲程开始不久，游动阀即打开，泵中液面托住了游动阀上部的液柱重量，并且使抽油杆柱也浸没在液体中，因而光杆载荷只是杆柱在液体中的浮重，这也就意味着电机将用较大的能量来举起曲柄或游梁尾部的平衡块的重量才能将杆柱送入井底，因而电流就较大。 抽油杆载荷传感器：普遍采用的方法是通过特制的传感器，对抽油机的光杆载荷进行检测，因为光杆载荷是井下泵运行情况的最好监视器，并且它不受平衡配重的影响。泵的充盈系数（包括空抽）通过对抽油杆载荷的分析可以很容易地被检测出来。另外，更重要的是抽油杆载荷数据，加上抽油杆位置的信息，正是分析井下工况的“示功图”的必备数据，利用这些信息可对抽油机的运行情况进行全面的分析。在光杆或游梁上安装测力传感器可以测出抽油杆的载荷数据。光杆测力传感器比较准确，但易于损坏。安装在游梁上的传感器准确度比较低，但比较耐用。 三、电动机星三角转换节能 由于抽油机的功率档次有限，而每一口油井的参数都不一样，在选配抽油机时，不可能做到量体裁衣，刚好和抽油机的功率档次相匹配，一般留有一定的功率裕量。各型抽油机在配用电动机时，为了保证抽油机在各种工况下正常运行，也留有一定的功率余量。随着油井由浅入深的抽取，油井的产液量越来越少，抽油机的负荷也相应减小。由于上述原因，就造成了抽油机的实际负载率普遍偏低，大部分抽油机的负载率在％～％之间，最高也不会超过％，形成大马拉小车的现象。而当电动机处于轻载运行时，其效率和功率因数都较低，此时若适当调节电动机定子的端电压，使之与电动机的负载率合理匹配，这样就降低了电动机的励磁电流，从而降低电动机的铁耗和从电网吸收的无功功率，可以提高电动机的运行效率和功率因数，达到节能的目的。 由于低压电动机在正常工作时，定子三相绕组是△接法，这样每相绕组承受的线电压，电动机可产生额定的输出机械功率。电动机的转矩是与电压的平方成正比的，当电动机轻载（负载率<％）时，可以将电动机的绕组由△接法改成接法，使每相绕组只承受的电压，电动机的转矩也就仅为额定转矩的。当负载率>％时，再将电动机绕组改为△接法运行，否则，会因电流过大而烧毁电动机。电动机在进行△转换时会产生冲击电流。 △接法转换的实现一般采用交流接触器实现，也可以通过晶闸管开关实现，两种方法在节能效果上并无差异，而转换控制电路如何准确掌握转换时的负载率则会对节能效果产生较大的影响。当负载率β<％时，不能及时进行△→切换，则会影响节能效果，而当负载率β>％时，不能及时进行→△切换，则会使电流过大，铜耗增加，反而费电，同样影响节能效果。为了不使转换频繁发生，一般在转换点的负载率之间设置一定的回差，通常采用负载率β<％时进行△→转换，而当β>％，进行→△转换。

四、晶闸管相控调压节能() 一般而言，磕头式抽油机均普遍存在抽取能力大于油井实际负荷的问题。因此，泵空或空捞现象便相伴而生。泵空增加无效行程，浪费大量电能，同时也使抽油设备的维护费用提高。内部主要由相控电机节电器及保护单元、控制回路等部分组成，其核心部分是相控电机节电器，相控电机节电器将最新智能可编程软件固化在微处理器上，通过先进的电子线路对负载电机进行实时检测与跟踪，实时控制晶闸管（可控硅）的导通角，在百分之一秒以内提供电机最适宜的工作电压与电流，使电机的输出功率与实时负载刚好匹配，从而有效地降低电机的功率损耗，改善电机起动、停机性能，达到节电的效果。 相控调压节电器适用于各类处于轻载或变负载运行状态下抽油机电机节能控制，不改变抽油机的上下行程和运行速度，在不减少抽油量的前提下实现节能效果。相控节电器配备了软启动功能，可以大大降低电机的启动电流，减少冲击电流对电机绝缘的破坏、降低电机运行温度、减少电机的维护量、延长使用寿命。相控节电器对抽油机电机实时监控负载变化、建工 6 匹配输入电机所需电能，大大减少电机本体的发热、振动、噪音和铁磁损耗，有效改善电机的运行条件。 基于相控节电技术的电机节电器全自动智能化节电，无需人工调节，节电率效果比较明显，不改变电机原有转速，不影响抽油机采油量，串联于抽油机电机前端，安装使用简捷易用，具有软启动，动态跟踪负载，调节用电设备输入功率，提高用功功率等功能，可有效地保护电机及机械设备，设备运行平稳、可靠，是抽油机节能改造的最佳技术指导文件。油田抽油机节能控制柜就是基于相控节电技术，专门针对油田抽油机运行效率低、能源浪费严重而推出的新一代油田节能产品，目前在国内许多油田已经得到认可和广泛应用。 五、无功就地补偿节能 交流异步电动机的无功就地补偿就是将补偿电容器组直接与电动机并联运行，电动机启动和运行时所需的无功功率由电容器提供，有功功率则仍由电网提供，因而可以最大限度地减少拖动系统对无功功率的需求，使整个供电线路的容量及能量损耗、导线截面、有色金属消耗量，以及开关设备和变压器的容量都相应减小，而供电质量却得以提高。 无功就地补偿只对长期空载或轻载运行的电动机有用，对于重载运行的电动机，因为其本身功率因数较高，没有补偿的必要。由于抽油机大部分处于轻载运行的状况，且由于其分散性，低压输电线路较长，本身功率因数又偏低，无功就地补偿的效果较好。对于抽油机这样的负载，负载频繁变化，没有必要采用自动投切的电容器组补偿，这样会增加成本，降低可靠性，是得不偿失之举。只要根据电机容量及平均负载率，选配适当容量的电容器进行固定补偿就行了，既经济又实用。目前，由于市售的补偿电容器质量都不好，寿命都不长，因此，应当选用质量较好的自愈式电容器，并有自放电电路的产品。 六、超高转差率多速电动机 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。如型抽油机配，型抽油机配等。世纪年代中分别引进国外超高转差电动机和超高转差多极电动机技术，对抽油机拖动装置进行了大量的科学实验，测试和分析，证明抽油机匹配超高转差率多速节能电动机拖动装置具有一定的节能效果。 降低抽油机拖动装置的安装容量裕量就是一个节能体现。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。拖动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。 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）％～％左右。对普通电动机而言，如此运行，其效率和功率因数特低。对超高转差率多速电动机来讲，由于曲线平坦，η及ψ在负载变化情况下，其值变化不大，从而相对来讲其η及ψ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。 超高转差率多速电动机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，具有一定的节能效果。 七、变频器调速节能 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