[摘要]本文電子技術論文針對抽油機運行特點，應用抽油井變頻技術后使油田開發過程中的抽油機能耗得到有效的控制。它是利用變頻調速技術，通過傳感器技術實現模糊控制，使機械采油的效率在運行過程中始終保持在最佳狀態，有效杜絕了抽油設備的空耗，從而實現了節能的目的。同時變頻技術的利用使抽油機實現了軟啟動，設備選型更加合理，取得較好的經濟效益和社會效益。
　　[關鍵詞]變頻柜，節能降耗，電機，生產參數
　　1論文前言
　　目前，我國變頻技術的發展十分迅速，在油田和工業領域里的應用日益廣泛。油田生產變頻柜技術的原理是結合信息技術、模糊控制技術、計算機技術、變頻調速技術、傳感器技術等現代高新技術，使得油田開發過程中的抽油機能耗控制得到有效的控制。利用變頻調速技術，通過傳感器技術實現模糊控制，使機械采油的效率在運行過程中始終保持在最佳狀態，有效杜絕了設備的空耗，從而實現了節能降耗的目的。同時變頻技術的利用使抽油機實現了軟啟動，設備選型更加合理。變頻技術的應用適應熱采區塊吞吐輪次高，地下參數變化大的生產特點，使得變頻技術在油田開發過程中具備了廣闊的推廣空間。
　　2變頻柜在油井節能增產工作原理
　　2.l工作原理。當前在各種抽油機變頻柜中處理再生電能的方法有制動電阻、吸收電容、回饋制動等，其中較為先進的方法是利用回饋制動的方式將這部分電能回饋電網。抽油機能量回饋智能變頻控制柜，在電動機驅動抽油機的狀態時由主變頻器從電網吸收電能，而在油井釋放能量狀態時由回饋變頻器將這部分能量變成與電網電壓同步同相位的正弦波經過濾波后回饋電網，利用變頻控制柜+永磁電機配合使用，進行節能改造經實踐證明效果非常明顯，節電率高達30％一60％。
　　2.2增產原理。動態節能裝置通過輸入正常頻率、最小載荷、最高頻率、最低頻率，能夠根據實時采集載荷及示功圖進行分析處理。在一個沖程內采集的載荷大于最小載荷，抽油機按正常頻率運行，如果采集的載荷小于最小載荷，變頻柜將在最高頻率和最低頻率之間分成多段運行。對于上下不平衡油井，控制抽油機按不同的頻率運行，達到上快、下慢的方式運行，減少空抽，提高泵效，從而節約能源，提高原油產量。
　　2.3電動機節能原理。如果電動機運行在額定負荷或額定負荷附近，則電動機屬于經濟運行。實際上，電動機以輕載運行，即一般稱為“大馬拉小車”的情況是常見的。因此，電動機節能是不容忽視的重要問題。電動機運行效率取決于電動機負荷率，國家標準GBl2497—1995規定，Y2系列(IP44)37kw/6極電動機的負荷率應大于0.40：22kw6極電動機的負荷率應大于0.46，此時電動機為經濟運行。對于不同功率的Y系列電動機，效率下降點也不同。一般情況下，效率和功率因數隨負荷率變化的曲線如圖l所示。把效率將要快速下降點q所對應的負荷率稱為臨界負荷率β。當負荷率β＞βa。時，效率的變化不大，這是由于電動機的可變損耗和不變損耗的對比關系所決定的，當負荷率β(0.70時，功率因素下降很快。功率因素的低下不但使電動機本身能耗有所增加，而且給電網造成了附加損耗，降低了電網容量和變壓器設備的利用率。
　　從以上討論可以看出，只要負荷率β不低于βa，“大馬拉小車”的影響主要是降低功率因數。對于一般負荷(如風機、水泵)，節能的關鍵是提高負荷率。如果將負荷率提高到0.70—0.80可以說是最佳運行區間，沒有必要提高到1。一般工作在β＝0.70以上，功率因數就比較高。
　　3抽油機常規電動機運行特點
　　常規游梁式抽油機是機械采油的主要設備，約占機采井總數的75％。它工作時承受帶沖擊性的周期交變負荷。這一負荷特性要求驅動電動機在選擇容量時留有足夠的裕度，以保證帶載啟動時能克服抽油機較大的慣性矩，滿足啟動要求；在運行時有足夠的過載能力，以克服交變載荷的最大扭矩。因此，電動機容量選擇就過大，負荷匹配不合理，大多數情況下電動機處于輕載狀態，負荷率一般為0.25．同時，電動機在一個沖次中還存在兩段發電狀態，一個沖次內電動機電流如圖2b所示，在一個沖次內其電壓、電流相量圖如圖3所示。在一個沖次內，電流的大小及相位角φ總是變化的，相位有大于90°的情況，這段時間有功電流為負，為發電狀態，這已從理論上和現場實測得到證明。在現場實測中，采用兩種方法：一是接人三相電度表，在一個沖次內有兩次電表反轉：二是用計算機采集電壓、電流的正弦波形，也清楚看出相位角甲大于90°的情況。發電情況與平衡有關，平衡效果越差，發電越多。平衡效果較好時，只有一次發電狀態。這種特殊負荷給電動機節能帶來很大難度。另外，抽油桿運動時的慣性作用和彈性變形，使抽油機在上下死點產生沖擊，而普通Y系列電動機的機械特性是硬特性。在運行過程中轉速隨負荷變化不大，抽油泵柱塞的實際行程由此變短，從而影響泵的充滿率，降低泵效，使整個游梁式抽油機的系統效率降低。
　　游梁式抽油機節能應包括兩個方面：（1）從電動機本身考慮，就是提高電動機效率和負荷率，從而提高運行效率和功率因數。提高電動機效率的潛力不大，能提高幾個百分點就很不容易而且是以提高電動機成本為代價的。因此，如果負荷率高于臨界負荷率，只要并上適當的補償電容器就達到節能的目的。（2）從系統考慮，就是改變電動機的機械特性，使機、桿、泵整個系統達到較好的配合，提高系統效率。兩者比較，后者的節能潛力比前者大得多。因此，后者應該是游梁式抽油機用電動機節能的主要研究方向。
　　4油田電動機節能情況
　　十多年來，技術人員在抽油機用電動機節能方面做了大量的研究工作，為油田的節能做出了很大貢獻。從抽油機載荷特性上看，其變化規律比風機、水泵類的載荷復雜得多，這給研究工作帶來許多困難。
　　目前油田電動機節能主要分為三方面：（1）人為地改變電動機的機械特性以實現負荷特性的柔性配合，從而提高系統效率，實現節能。這種方法主要是改變電源頻率。（2）從設計上改變電動機的機械特性(如高轉差電動機和超高轉差電動機)，從而改善電動機與抽油機的配合，提高系統運行效率，達到節能。（3）通過提高電動機的負荷率、功率因數，實現節能。下面對油田普遍使用和正在試驗的幾種電動機進行分析。
　　4.1變頻調速電動機。變頻調速是一項成熟的節能技術，抽油機有兩種工作狀態：（1）電動機驅動機械設備運動抽油機從電網吸收電能。（2）釋放能量(機械勢能，井下負壓，平衡塊勢能等原因)，由機械設備帶動電動機運動，是一個發電的過程。就是說，抽油機在相當長一段時間內，要把勢能變為電能回饋電網。在不使用變頻器時，這個電能是直接回饋電網的，并沒有在本地設備上消耗掉。綜合表現為拍油機供電系統功率因數較低。但是在使用變頻器時，情況發生了變化。普通變頻器的輸入是二極管整流，能量不可反方向流動。上述這部分電能沒有流回電網的通路，會導致變頻器直流回路電壓升高而造成直流過壓保護，必須將這部分電能處理掉，這就是我們在抽油機變頻上必須使用制動單元或其他相關設備的原因。
　　這種方案是在普通電動機電源上加變頻器，降低了電動機的容量，負荷率得到較大提高，變頻器的輸入功率因數接近1，并且改變了上、下沖程的速比，也改善了抽油系統的配合。這種方案無論從電動機本身還是從系統配合上都達到了節能目的。發電時通過電阻回饋把發電能量放掉。另外，一次投入大，現場管理難度大，而且變頻器本身也有功率損耗(約5—8%，變頻器的諧波對電網有影響，并會使電動機附加損耗增大。
　　4.2稀土永磁同步電動機。上世紀90代初，大慶石油學院和西安石油學院對稀土永磁同步電動機進行了研制和現場試驗，收到了較好效果。這種電動機的轉子由磁鋼、稀土材料和啟動鼠籠組成。轉子損耗比普通異步電動機小得多，因此電動機本身的效率比普通Y系列電動機高約5％，功率因數達到0.9，其額定運行時機械特性比Y系列電動機還硬，因此不能改善機、桿、泵系統配合，起不到系統節能的作用。相同功率的稀土永磁電動機比Y系列電動機成本大約高50％且啟動電流比Y系列電動機還大，啟動過程中，電動機轉矩有振蕩。
　　4.3繞線式異步電動機。游梁式抽油機用電動機節能是一個非常復雜的問題，選擇方案時要考慮電動機效率、功率因數、系統增效、成本投入、可靠性及現場管理等問題。系統增效是指機、桿、泵整個系統效率提高的潛力：損失效率是指節能系統本身的損耗：啟動性能是指電動機啟動電流小，啟動轉矩大為好。
　　5論文結論
　　要進一步提高游梁式抽油機的節能降耗效果，應從改善現有電動機的機械特性入手，使其機械特性與抽油機的負載特性互相配合，在負荷較小時工作特性較硬，負荷變大時特性變軟，既可減小輕載時的轉差損耗，又可像超高轉差電動機那樣增大抽油泵柱塞行程，提高泵效，提高系統效率。
　　要達到此目的，最理想的是用頻敏材料制造電動機的轉子繞組，但目前還未見有關研制成功頻敏效果較好(在00—50HZ內)材料的報道，一旦頻敏材料的研究取得突破，必將給電動機的制造和節能開創新的途徑。另一方面是研制四象限變頻器，這樣就可以把電動機發電狀態所發的電回饋電網。國外已有此類產品，但價格很高。國內有些單位也在做這方面的工作。
　　盡管我們在游梁式抽油機電動機節能方面做了大量工作，但要解決的問題還是很多，電動機節能情況不太理想，還需設備生產企業和油田生產企業做出更多的努力。
　　參考文獻：
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