一、引言

據(jù)《世界經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》和《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》公布的數(shù)據(jù)測(cè)算，我國(guó)的耗能標(biāo)煤比其他發(fā)達(dá)國(guó)要高出幾倍能源。大量的能源消耗既造成了經(jīng)濟(jì)上的極大浪費(fèi)，同時(shí)也因嚴(yán)重的環(huán)境污染而造成了極大的社會(huì)問題。節(jié)能減排已成為擺在我國(guó)面前亟待解決的實(shí)際問題，同時(shí)也成為了政府當(dāng)前的重要工作之一。根據(jù)國(guó)家有關(guān)規(guī)劃，電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能是國(guó)家發(fā)改委啟動(dòng)的十大重點(diǎn)節(jié)能工程之一。抽油機(jī)用電量約占油田總用電量的40%，我國(guó)各油田的抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘吭?00萬千瓦以上，年總耗電量達(dá)100億度以上。目前井場(chǎng)的抽油機(jī)普遍采用直接的工頻運(yùn)行，系統(tǒng)效率非常低，平均運(yùn)行效率只有25%，電能浪費(fèi)巨大。因此，抽油機(jī)節(jié)能潛力非常巨大，石油行業(yè)也是推廣“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能”的重點(diǎn)行業(yè)。

二、游梁式抽油機(jī)介紹

目前國(guó)內(nèi)抽油機(jī)種類繁多，大概以游梁式、無梁式以及新型抽油機(jī)三類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。目前應(yīng)用最為廣泛的是游梁式，屬于有桿抽油設(shè)備。游梁式抽油機(jī)指含有游梁，通過連桿機(jī)構(gòu)換向，具有重塊平衡的抽油機(jī)，俗稱磕頭機(jī)，典型游梁式抽油機(jī)如圖1。游梁式抽油機(jī)是一種變形的四連桿機(jī)構(gòu)，其整機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)像一架天平：一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對(duì)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(dòng)力就可以使抽油機(jī)連續(xù)不間斷地工作。抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的大小變化取決于平衡的好壞，在平衡率為100％時(shí)電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力僅用于提起約1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，則需要電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力越大。因?yàn)?，抽油載荷是每時(shí)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，使得游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)變得十分復(fù)雜。

在下沖程時(shí)，平衡重從低處上升至高處，平衡重位能增加。平衡重所增加的位能由兩部分構(gòu)成：油桿柱下落所釋放的位能與電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量。由于抽油機(jī)油桿柱下落所釋放的位能大于電動(dòng)機(jī)給平衡重增加位能，使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電的運(yùn)行狀態(tài)。    

在上沖程時(shí)，平衡重由高處下落，把下沖程時(shí)儲(chǔ)存的位能釋放出來，幫助電動(dòng)機(jī)提升抽油桿液柱，減少電動(dòng)機(jī)在上沖程時(shí)所需給出的能量，但電動(dòng)機(jī)還要付出一定能量。  

圖1 游梁式抽油機(jī)

由以上分析可知，抽油機(jī)運(yùn)行過程中，電動(dòng)機(jī)伴有發(fā)電狀態(tài)。根據(jù)油田現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，抽油機(jī)的制動(dòng)頻度一般在20%左右。

三、抽油機(jī)存在的問題分析

為適應(yīng)野外作業(yè)，磕頭機(jī)以經(jīng)濟(jì)可靠、皮實(shí)耐用而成為目前各大油田普遍使用的采油機(jī)械。由于油田的原油高含水率和井下情況復(fù)雜，抽油機(jī)普遍存在著低效、高能耗等問題。

（1）抽油機(jī)系統(tǒng)效率低

抽油機(jī)在開始起動(dòng)時(shí)，要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩很高，所以設(shè)計(jì)時(shí)選型一般偏大。在油田現(xiàn)場(chǎng)， “大馬拉小車”現(xiàn)象是比較常見的，正常運(yùn)行時(shí)負(fù)荷率很低，一般在20%左右，高時(shí)負(fù)荷率只有30%，加之抽油機(jī)一直處于工頻恒速運(yùn)行，泵效低，因此抽油機(jī)普遍運(yùn)行在低效區(qū)。在我國(guó)，抽油機(jī)的平均效率約為25%，國(guó)外平均水平約為30%。

（2）沖次調(diào)節(jié)困難

    在實(shí)際開采作業(yè)過程中，受油井的儲(chǔ)油量、井深、油質(zhì)、雜質(zhì)、含沙量、含水量、抽油泵情況等諸多客觀因素的影響，須經(jīng)常性地調(diào)整作業(yè)沖次。同時(shí)，由于油田所處地理位置、緯度的不同，以及所處地區(qū)的氣候等自然因素，也會(huì)對(duì)開采作業(yè)產(chǎn)生影響，要求抽油機(jī)根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行相應(yīng)的沖次調(diào)整。傳統(tǒng)沖次調(diào)節(jié)采用機(jī)械調(diào)整方式，需要拆裝皮帶，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，作業(yè)強(qiáng)度大。

（3）啟動(dòng)沖擊大，機(jī)械損傷嚴(yán)重

由于電機(jī)全電壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流達(dá)額定電流的7倍，因此抽油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)電機(jī)和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，導(dǎo)致對(duì)電網(wǎng)容量要求過高，而且啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)，不僅無謂浪費(fèi)掉大量的電能，而且對(duì)電動(dòng)機(jī)的絕緣的威脅，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀電動(dòng)機(jī)。不僅如此，抽油機(jī)工頻啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生較大的機(jī)械振動(dòng)應(yīng)力，嚴(yán)重影響到抽油機(jī)及其它機(jī)械的使用壽命。

四、WIN-PSS-EP在遼河油田的變頻改造

要解決抽油機(jī)存在的問題，尤其是要提高抽油機(jī)的系統(tǒng)效率，是一個(gè)復(fù)雜而又系統(tǒng)的任務(wù)。不少油田采用了電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)，提高了抽油機(jī)系統(tǒng)的地面效率，對(duì)泵效的提高也有很大的幫助，并由此真正帶來野外無人值守，全自動(dòng)運(yùn)行，不必更換機(jī)械設(shè)備即可任意控制抽油沖次，適用于不同地域、結(jié)構(gòu)的油井。所以采用變頻器調(diào)整抽油機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速取代機(jī)械沖次調(diào)節(jié)是大勢(shì)所趨。目前，磕頭機(jī)上交流變頻調(diào)速系統(tǒng)廣泛采用簡(jiǎn)單的能耗制動(dòng)，存在浪費(fèi)電能、電阻發(fā)熱嚴(yán)重，快速制動(dòng)性差等缺點(diǎn)。因此，采用能量回饋單元越來越受到青睞。WIN-PSS-EP是微能公司根據(jù)多年的油田實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)開發(fā)的抽油機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)，該產(chǎn)品集變頻回饋于一體，并保留工頻回路，性能可靠，節(jié)能效果顯著。

（1）WIN-PSS-EP的原理簡(jiǎn)介

    WIN-PSS-EP電壓等級(jí)380V，其核心是新一代SVPWM變頻系統(tǒng)，低速高轉(zhuǎn)矩輸出，并且內(nèi)置回饋單元。整個(gè)系統(tǒng)保留工頻回路，若變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可使用工頻運(yùn)行，以保障產(chǎn)液量不受影響。系統(tǒng)的主回路示意如圖2所示。

                    圖2 WIN-PSS-EP主回路示意圖                                     圖3 WIN-PSS-EP

變頻回饋系統(tǒng)是WIN-PSS-EP的核心，其原理示意如圖4。圖中，①表示整流單元，②表示逆變單元，③表示能量回饋單元。交流電網(wǎng)經(jīng)整流單元變?yōu)橹绷麟娫春?，由逆變單元變換為頻率可變的交流電源，供電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)械。本系統(tǒng)屬于電壓型變頻方式，采用SVPWM的控制方式，直流電壓利用率高，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。

圖4 變頻回饋原理示意圖

考慮到抽油機(jī)機(jī)械設(shè)備的限制，變頻系統(tǒng)的調(diào)速范圍一般不會(huì)高于50Hz，但若在追求產(chǎn)液量的高產(chǎn)井中，可以將頻率調(diào)整大于50Hz，以增加產(chǎn)業(yè)量。若井場(chǎng)沒有單獨(dú)供電的風(fēng)扇對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組散熱，變頻系統(tǒng)一般運(yùn)行在20Hz以上。在實(shí)際運(yùn)行中，變頻調(diào)速的范圍一般在20~60Hz。

抽油機(jī)一般在下行過程中存在發(fā)電狀態(tài)。在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)作負(fù)功，電機(jī)繞組上的能量通過逆變單元返回至直流母線，引起直流母線的電壓升高。圖中并聯(lián)在直流母線上的能量回饋單元③在檢測(cè)到電壓超過設(shè)定的閥值時(shí)，自動(dòng)將直流電源逆變成與電網(wǎng)同頻同相的交流電源，它將作為能量傳遞的通道，使能量回饋至電網(wǎng)。能量回饋單元將電動(dòng)機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的電能全部回饋至電網(wǎng)，如果不能將直流母線的能量及時(shí)的處理，會(huì)引發(fā)變頻系統(tǒng)的保護(hù)電路動(dòng)作，系統(tǒng)將無法工作。

在實(shí)際使用中，控制系統(tǒng)可以使用傳感器開關(guān)實(shí)測(cè)抽油機(jī)是處于上沖程還是下沖程，以便分別調(diào)速，降低下沖程的速度可以提高泵的充滿度，而升高上沖程的速度，以減少泵的漏失系數(shù)，這樣可以提高效率。

（2）WIN-PSS-EP的技術(shù)特點(diǎn)

WIN-PSS-EP系統(tǒng)專為油田應(yīng)用設(shè)計(jì)，具有如下特點(diǎn)：

① 性能穩(wěn)定，可靠性高。

② 使用能量回饋的方式處理再生能量。能量回饋比一般的制動(dòng)電阻多節(jié)約10%~15%的電能，并且不必為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中制動(dòng)電阻的散熱問題而煩惱。這樣，不僅帶來了經(jīng)濟(jì)效益，也緩解了油田電網(wǎng)的壓力。

③ 諧波含量小?；仞亞卧綑z測(cè)電源電壓，采用PWM控制方式，并內(nèi)置輸入濾波裝置，全程噪聲過濾內(nèi)，回饋電壓畸變率小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，諧波含量小，真正做到綠色無污染。

④ 防護(hù)等級(jí)高。WIN-PSS-EP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全采用野外設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，防護(hù)等級(jí)為IP54，系統(tǒng)外觀如圖3。

⑤ 支持通訊監(jiān)控。WIN-PSS-EP系統(tǒng)作為數(shù)字化油田的底層設(shè)備，可與油田監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。實(shí)時(shí)觀測(cè)油井驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電量參數(shù)，在沒有實(shí)現(xiàn)示功圖采集的井場(chǎng)可以作為分析油井工況的依據(jù)。

（3）WIN-PSS-EP在遼河油田的應(yīng)用

遼河油田是一個(gè)地質(zhì)條件十分復(fù)雜，含油層系多、儲(chǔ)層種類多、物性變化大、油藏類型多的復(fù)式油氣區(qū)，勘探開發(fā)已經(jīng)進(jìn)入中后期。遼河油田普遍采用有桿抽油方式，而所用的抽油機(jī)普遍存在效率低、能耗大等情況。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，油井的供液能力隨時(shí)都有變化，需要對(duì)抽油系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行及時(shí)而合理的調(diào)整，其中抽油機(jī)沖次的調(diào)節(jié)尤為重要。原系統(tǒng)采用工頻直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方式，一般通過更換電機(jī)皮帶輪調(diào)節(jié)沖次，抽油機(jī)沖次一般只有三檔，不僅調(diào)節(jié)沖次困難、采油效率低，而且機(jī)械損傷嚴(yán)重。

為改善原系統(tǒng)的諸多弊端，采用WIN-PSS-EP系統(tǒng)對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行改造。井場(chǎng)提供380V/50HZ輸入交流電源，根據(jù)油井負(fù)荷不同，遼河油田各井場(chǎng)的抽油機(jī)配備的電動(dòng)機(jī)功率將有所不同，這就使得各井場(chǎng)的WIN-PSS-EP功率型號(hào)有所區(qū)別。本文僅以遼河油田錦州采油廠某作業(yè)區(qū)井場(chǎng)為例進(jìn)行分析，該井場(chǎng)配備CYJY6-3.5-26HB 型抽油機(jī)，電機(jī)為雙速電機(jī)，主要參數(shù)如表1所示。

表1 井場(chǎng)電機(jī)主要參數(shù)

由于現(xiàn)場(chǎng)油井在冬天停機(jī)時(shí)容易凍住，根據(jù)WINNER多年的油田現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，我公司配置的系統(tǒng)如表2。

表2 現(xiàn)場(chǎng)配置的WIN-PSS-EP主要參數(shù)

井場(chǎng)安裝好WIN-PSS-EP后，按標(biāo)準(zhǔn)程序檢查好系統(tǒng)的所有接線，對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)啟停、調(diào)速試驗(yàn)等，WIN-PSS-EP都能出色的完成試驗(yàn)任務(wù)。

依據(jù)SY/T5264-2006《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測(cè)試和計(jì)算方法》、SY/T6422《石油企業(yè)節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測(cè)定》中的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，油田節(jié)能檢測(cè)中心對(duì)本井工頻與變頻運(yùn)行進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比測(cè)試，其部分檢測(cè)數(shù)據(jù)如表3。

表3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)

由上表可知，油井在降低產(chǎn)液?jiǎn)魏牡幕A(chǔ)上降低了總體耗電，不僅如此，使用WIN-PSS-EP之后，提高了抽油系統(tǒng)的地面效率和總體效率，日產(chǎn)液量也有所增加。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件下，通過對(duì)本井工頻與變頻狀態(tài)的對(duì)比測(cè)試，油井的有功節(jié)電率為30.71%，無功節(jié)電率為77.32%，綜合節(jié)電率為32.92%。

五、WIN-PSS-EP的優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的檢驗(yàn)，WIN-PSS-EP具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

① 比通用變頻系統(tǒng)更加節(jié)能。因?yàn)榱菏匠橛蜋C(jī)的運(yùn)行狀況并非是恒轉(zhuǎn)速狀態(tài)，其運(yùn)行狀態(tài)是：上沖程和下沖程。若配重不平衡時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于頻繁的深度的發(fā)電和電動(dòng)交替的狀態(tài)。用在抽油機(jī)上的普通的變頻器，一般是外接一個(gè)制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，把抽油機(jī)下行過程中產(chǎn)生的電量消耗掉，而沒有回饋到電網(wǎng)上，造成了抽油機(jī)變頻改造的節(jié)能效果差。在使用變頻能量回饋功能時(shí)，將電動(dòng)機(jī)發(fā)出來的電能將回饋到原電網(wǎng)，從獲得了理想的節(jié)能效果，WIN-PSS-EP比普通通用變頻器多節(jié)能10～15％，熱損耗為電阻制動(dòng)的3％以下。

② 傳動(dòng)核心技術(shù)成熟，可靠性高。抽油機(jī)節(jié)能有很大一部分是在保證產(chǎn)液量的基礎(chǔ)上降低轉(zhuǎn)速節(jié)能的，也就是通過變頻節(jié)能。WIN-PSS-EP系統(tǒng)集WINNER多年的變頻傳動(dòng)經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)先進(jìn)，性能穩(wěn)定，可靠性高。

③ 操作簡(jiǎn)單。WIN-PSS-EP專門針對(duì)抽油機(jī)設(shè)計(jì)，操作方式遵循行業(yè)習(xí)慣，適于普通采油工直接操作，無需手冊(cè)及操作手冊(cè)。

④ 可分別設(shè)定上下沖程頻率。根據(jù)磕頭機(jī)運(yùn)行工況針對(duì)性設(shè)計(jì)，可據(jù)單井工況調(diào)定上下沖程變頻器最佳運(yùn)行頻率，并可基于此設(shè)計(jì)全自動(dòng)控制方案。

⑤ 諧波污染小。內(nèi)置輸入濾波裝置，全程噪聲過濾，對(duì)電網(wǎng)的諧波污染相比通用變頻器大大減小。

⑥ 可任意的調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖次，節(jié)約電能，提高效率，增加產(chǎn)液量。在初期油井中，由于油井剛開采，儲(chǔ)油量大。為提高采油功效，我們可以提高抽油機(jī)的沖程頻次，讓變頻器運(yùn)行至60Hz，頻率提高1/5，相應(yīng)地電機(jī)轉(zhuǎn)速提高了20%，其采油量也相應(yīng)提高。而在中、后期油井采集中，由于井中原液儲(chǔ)量減少，供液不足，因而我們采用調(diào)整抽油機(jī)的沖次和選用上快下慢的控制方式，可根據(jù)泵的充滿負(fù)荷度微量調(diào)節(jié)速度的動(dòng)態(tài)調(diào)整，提高泵充滿系數(shù)及排量系數(shù)，達(dá)到更加節(jié)能與增產(chǎn)的運(yùn)行效果。

⑦ 提高網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)。原電機(jī)直接由工頻驅(qū)動(dòng)時(shí)，滿載時(shí)功率因數(shù)為0.81左右，實(shí)際運(yùn)行功率因數(shù)遠(yuǎn)低于0.7。采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，電源側(cè)的額定功率因數(shù)甚至可提高到0.9以上，無需無功補(bǔ)償裝置就能大大的減少無功功率，滿足電網(wǎng)要求，可進(jìn)一步節(jié)約上游設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用。

⑧ 降低設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。采用變頻調(diào)節(jié)后，可對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)電流不超過電機(jī)額定電流的1.2倍，對(duì)電網(wǎng)無任何沖擊，由于通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)節(jié)能，在負(fù)荷率較低時(shí)，轉(zhuǎn)速也降低，主設(shè)備及相應(yīng)輔助設(shè)備如軸承等磨損較前減輕，維護(hù)周期可加長(zhǎng)，檢修費(fèi)用下降，設(shè)備運(yùn)行壽命延長(zhǎng)。

⑨ 增加了電氣保護(hù)。與原來舊系統(tǒng)相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升等多項(xiàng)保護(hù)功能，更完善地保護(hù)了電機(jī)。

⑩ 提高了自動(dòng)化水平，為油田的數(shù)字化建設(shè)提供底層保障。直接通過變頻器實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整抽油機(jī)的轉(zhuǎn)速，可無級(jí)調(diào)節(jié)抽油機(jī)的沖次，可方便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，便于檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀況。

六、結(jié)束語

深圳市微能科技有限公司W(wǎng)IN-PSS-EP系列抽油機(jī)節(jié)能控制柜以其極高的可靠性、適應(yīng)性和強(qiáng)大的功能在油田的節(jié)能改造中發(fā)揮著重要作用，在井場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行受到一線員工的好評(píng)，由它帶來的無級(jí)調(diào)速大大降低了現(xiàn)場(chǎng)沖次調(diào)節(jié)的作業(yè)強(qiáng)度和時(shí)間，其能量回饋功能使其節(jié)能達(dá)到最佳化。隨著油田節(jié)能改造步伐的加快，WIN-PSS-EP系列產(chǎn)品必將以其出色的表現(xiàn)贏得油田用戶的信賴。