游梁式抽油機節(jié)能控制技術探討

袁勝利（大慶油田有限責任公司第十采油廠）

游梁式抽油機是油田開發(fā)生產的一種重要設備，國內油田90%以上的抽油機都采用游梁式抽油機[1-2]。油田70%以上的耗能量集中在機采、注水、電力、熱力等主要耗能系統(tǒng)，能耗費用約占油田生產可變成本的30%，而30%的油田采油成本消耗在游梁式抽油機，游梁式抽油機的平均系統(tǒng)效率只有25%，與發(fā)達國家相比，仍有一定差距。因此，開展游梁式抽油機節(jié)能控制技術研究很有必要，對該類型抽油機的節(jié)能率研究有重大而現(xiàn)實的經濟意義[3]。

1 通常采用的節(jié)能控制裝置

1）軟啟動、調壓節(jié)能型節(jié)能控制裝置。該節(jié)能控制裝置適用于啟動載荷較大，而運行負載較輕的抽油機。其工作原理是采用可控硅軟啟動，調壓節(jié)電，通過電動機定子繞組星/ 三角轉換降壓節(jié)能。抽油機的功率檔次有限，如30、60、80、100 kN等。隨著油井由淺入深的抽取，油井的產液量越來越少，抽油機的負荷也相應減小。由于上述原因，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%，最高也不會超過50%，形成了載荷過低的現(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。

2）無功就地補償節(jié)能型節(jié)能控制裝置。該節(jié)能控制裝置采用無功自動補償控制器，通過自動投切電容組的方式，實現(xiàn)補償電動機的無功能量，減小電網(wǎng)電流，減少線路損耗，解決異步電動機驅動載荷過低，功率因數(shù)低，無功損耗大等問題。

3）超高轉差率多速節(jié)能電動機拖動裝置。該節(jié)能裝置的出發(fā)點是降低抽油機拖動裝置的安裝容量和裕量。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3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轉矩，以克服抽油機啟動時嚴重的靜態(tài)不平衡。而軟的機械特性造成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。超高轉差率多速節(jié)能電動機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，特別是在啟動瞬間，降低了對抽油機結構件、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。

4）變頻節(jié)能調速裝置。變頻調速裝置使抽油泵的排量與油井的滲透能力相適應，采用改變抽油機電動機的轉速來實現(xiàn)，其最大優(yōu)點是抽油機井調參十分方便快捷[4-5]。但通用變頻改造，不能實現(xiàn)優(yōu)化控制；不能有效解決抽油機倒發(fā)電狀態(tài)、以及沖擊電流等問題[6]。

經過以上分析，上述各種抽油機節(jié)能控制裝置主要存在以下3個方面的問題：一是只在抽油機系統(tǒng)的某個方面做了部分的研究；二是大都集中在電動機的節(jié)能控制方面；三是系統(tǒng)造價；太高或者是功能簡單，可靠性不高。

2 驅動電動機曲線分析

為了更好地開展游梁式抽油機電動機動態(tài)運行曲線分析，通過對游梁式抽油機電動機在工頻和變頻兩種運行狀態(tài)下，對游梁式抽油機驢頭懸點載荷和變頻運行時抽油井電動機動態(tài)曲線進行動態(tài)跟蹤測試，測試結果如圖1 和圖2 所示，其中圖1 為某油井工頻運行時的驢頭懸點載荷隨時間的變化曲線圖，圖2為某油井變頻運行時抽油機井電動機動態(tài)曲線圖。

圖1 油井工頻運行時的驢頭懸點載荷隨時間的變化曲線

圖2 油井變頻運行時抽油機井電動機動態(tài)曲線

通過對油田電動機動態(tài)曲線分析，得知對同一臺抽油機，在相對較短的時間內，不同速度時，轉矩曲線相似，功率曲線相似，且具有較好的周期性。

3 控制系統(tǒng)的優(yōu)化算法

根據(jù)抽油機電動機的轉矩、速度、功率、電流等動態(tài)變化數(shù)據(jù)，對抽油機的驢頭載荷、采液量、系統(tǒng)效率等進行動態(tài)地辨識。

其優(yōu)化過程是：開始→記錄、存儲數(shù)據(jù)→FFT變換頻譜計算→分析結果找出有用信號→濾波→插值→FFT變換得到頻譜、相位角等→分析得到最佳結果。

根據(jù)所辨識出的各個變量之間的關系，設計變頻器控制方案，提高抽油機的經濟效益[7-8]。通過分析得到最大采油量控制、效率最高控制、經濟效益最高控制和其他控制方式等。

利用Matlab 編制了初步的離線仿真研究平臺，利用該平臺，開展動態(tài)顯示抽油機的動作過程，顯示抽油機在一個沖程中的速度、加速度、驢頭行程等曲線，以及進行FFT變換，并根據(jù)FFT分析的結果顯示其頻譜、相位特性，重構所分析的曲線或各次諧波成分曲線等方面的試驗仿真研究。利用C++Builder編制了下位機現(xiàn)場監(jiān)控平臺，利用該平臺顯示抽油機在一個沖程中的速度、加速度、驢頭行程等曲線，實時記錄變頻器各種狀態(tài)量，對變頻器的工作狀況進行診斷，以及進行FFT 變換，并根據(jù)FFT分析的結果顯示其頻譜、相位特性，重構所分析的曲線或各次諧波成分曲線等。

4 現(xiàn)場應用情況

采用BS 永磁無刷直流動力系統(tǒng)主要由無刷直流電動機和專用控制器兩部分組成[9-10]。它具有高效率特性，無需從電網(wǎng)吸取勵磁電流，其理論功率因數(shù)為1，實際上功率因數(shù)接近1。它與三相異步電動機相比平均有功節(jié)電率可達20%~40%，無功節(jié)電率高達到80%以上。改進后的動力系統(tǒng)有效解決傳統(tǒng)驅動方式存在的系統(tǒng)效率低、功率因數(shù)低、對油井負荷變化不適應、抽油桿彈性還沒有完全恢復容易發(fā)生反轉脫扣，且下次啟動時容易發(fā)生斷桿，增加維護費用，費時費力等問題。

該系統(tǒng)于2019年10月在某油田GD7-23井進行現(xiàn)場應用試驗，并對現(xiàn)場應用效果進行應用研究前后跟蹤測試。該井采用12 型抽油機冷抽生產，在油井生產參數(shù)基本不變的前提下，應用前后油井測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 應用前后油井測試數(shù)據(jù)對比

從表1中可以看出，該井在安裝BS無刷直流動力系統(tǒng)后，在油井生產參數(shù)基本不變的前提下，油井電動機有功功率由10.6 kW 下降到7.7 kW，減少了2.9 kW，日節(jié)69.6 kWh，實現(xiàn)年節(jié)電25 404 kWh，無功功率由21.10 kVar 降低到0.29 kVar，下降了20.81 kVar，油井電動機功率因數(shù)由0.281 提高到0.951，提高了0.665，有功節(jié)電率達到27.4%，無功節(jié)電率達到98.6%，取得了良好的現(xiàn)場試驗應用效果。

5 結論

1）節(jié)能效果好。該系統(tǒng)與普通電動機系統(tǒng)相比，具有良好的節(jié)能降耗效果，平均有功節(jié)電率達到27.4%，無功節(jié)電率達到98.6%，現(xiàn)場試驗應用結果表明，實現(xiàn)日節(jié)電69.6 kWh，實現(xiàn)年節(jié)電25 404 kWh，其節(jié)能效果顯著。同時，按照節(jié)約1 kWh 電能減排0.997 kg 二氧化碳，即減少0.272 kg碳排放計算，則更換一臺BS無刷直流動力系統(tǒng)每年可減少碳排放6 909.9 kg。

2）良好的調速性能。系統(tǒng)調速操作方便快捷，有利于油井根據(jù)油井生產需要，及時調整油井沖次，使油井參數(shù)調整變得更加簡單，極大地減輕了員工的工作強度，提高了油井調參操作的安全程度。

3）先進的優(yōu)化控制算法。該系統(tǒng)采用控制裝置具有智能型特點，電動機可實現(xiàn)遠程監(jiān)控，滿足電動機運行狀態(tài)遠程監(jiān)控的工作要求，符合智能化油田建設需要。

4）具有良好的性價比。該系統(tǒng)與安裝油井變頻控制系統(tǒng)相比，具有性價比優(yōu)勢。它可以全面替代目前在用的油井變頻控制柜+Y 系列電動機、替代減速裝置+Y系列電動機。