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淺談抽油機節能及智能控制器的設計2004年9月(1)

摘要  說明了油田游梁式抽油機節能的幾種方式,介紹了目前抽油機節能器的主要類型并比較了它們的優缺點及節能效果,闡述了智能型抽油機節能控制器的關鍵技術及實施方案。

0 引言

   游梁式抽油機結構簡單,可靠性高,是目前油田原油開采的主要設備,在機械采油設備中約占60%以上。但游梁式抽油機也是油田的耗能大戶,其用電量約占油田用電量的40%,且其拖動電機普遍存在著功率利用率低、能源浪費嚴重的情況,目前我國有近8萬臺抽油機井,電動機平均符合率為20%~30%,部分電動機負荷率更低。因此,抽油機的節能問題已引起了廣泛重視,并出現了形式不同的節能產品。但目前各種節能產品,特別是電機控制裝置因沒有有效針對游梁式抽油機的實際特性進行設計,因此從油田的實測評估資料看,各種節能產品遠沒有達到理想的節能水平。

1 抽油機節能器的主要類型和存在問題

   抽油機節能裝置從節能原理上看,大致可以分為電機節能、變矩節能、變結構節能、變平衡方式節能和擺桿式節能5種方式。其中,后4種節能方式是針對游梁式抽油機機械結構的節能方式,顯然,改變抽油機機械結構的方式存在一個明顯的缺點,必須對油井進行改造,不僅成本高,從實際節能效果看也不是很理想。而電機節能則主要是針對抽油機的電氣性能而采取的節能方式。實際上,游梁式抽油機的電動機多數以輕載,即“大馬拉小車”的工況運行,這些固有特性決定了拖動電機功率的利用率很低,因此提高拖動電機的負荷率是實現節能的途徑之一。

目前,抽油機的電動機主要從3各方面實現節能:人為地改變電動機的機械特性,主要是改變電源頻率,以實現與負荷特性的柔性配合;從設計上改變電動機的機械特性(如高轉差率電動機和超高轉差率電動機),從而改善電動機與抽油機的配合;提高電動機的負荷率和功率因素。具體有以下方式:

①采用雙功率電動機。雙功率電動機的定子繞組是兩個可以并聯運行的繞組。啟動時和負荷輕時,兩個繞組分時投入,則總的電流減小。當抽汲工況發生變化,負荷較大時,兩個繞組都投入,則總的電流減小。當抽汲工況發生變化,負荷較大時,兩個繞組都投入。這樣,電動機在各種情況下都有較高的負荷率,運行效率和功率因素都有較大的提高。采用雙功率電動機缺點在于:如果不能解決系統的配合問題,則起不到節能作用。

②增加蓄能器。蓄能器用來增加抽油機的轉動慣量,充分發揮其動能的均衡作用,降低電動機承受扭矩的波動量。例如當啟動時或電動機驅動力大于抽油機工作阻力時,飛輪轉速上升將多余能量儲存起來;相反,當抽油機工作阻力大于電動機驅動力,飛輪轉速降低,將動能轉化為驅動力并與電動機驅動力合力輸出。顯然,只要電動機的額定功率等于或大于抽油機的平均消費功率,抽油機就能平穩工作,因而可顯著降低電動機容量,實現節能降耗。

 ③利用電容器做功率補償。其節能原理是利用一個大容量電容器并聯在線路中,起功率補償作用,從而達到節電目的。

④增加調壓節能裝置。利用現代電力電子技術的成果,根據電動機的負荷率的變化不斷調節電動機的輸入端電壓,即載荷小時電動機的輸入電壓下降,載荷大時電動機的輸入電壓升高。因此,降低輸入電壓,減少了電動機的損耗,提高了電動機的運行效率,同樣能達到節能的目的。

⑤采用 雙向切換。其原理同調壓節能是一致的,只不過電機輸入端電壓不是連續變化的,僅有220V和380V兩種形式。當電機輕載時,電機采用Y型接法,輸入端電壓為220V。當電機重載時,電機采用 型接法,輸入端電壓為380V。

電機節能的幾種方式,其主要目的在與降低電機輕載時電機自身的能量損耗。因此,這種方式的節能效果也是有限的,只有在負載率較輕時節能效果才比較理想。

2 智能節能控制器的設計方案

2.1關鍵技術

基于目前國內抽油機節能系統的使用現狀和實際情況,要開發成功高效的抽油機節能控制器,必須對抽油機的負載特性進行綜合的分析,明確抽油機的所有耗能因素,從而采取有效的節能措施。

①抽油機負載特點

抽油機靠抽油桿的上下運動將原油抽汲到地面的管網中,抽油機的上沖程提起油柱時的功率大,而下沖程時勿需動力可自行下落。為了使負荷均勻,一般配有某種平衡機構,如平衡塊,電機軸上形成的總負載轉矩為油井負荷扭矩之和。如圖1所示為抽油機的負荷曲線,即總負載轉矩M與曲柄轉角 的關系曲線 。不同的油井其負荷曲線不同,主要與井況和平衡有關。

            圖1 抽油機的負荷曲線

抽油機的負荷特點決定了選用普通異步電動機來驅動抽油機將不可避免地造成大量地能耗,具體表現在“大馬拉小車”現場造成的 能耗和電動機發電所造成的能耗。

②“大馬拉小車”造成的能耗

  根據抽油機的負載特性可知,當抽油機運行時,拖動電動機的負載呈幅度周期性波動,使電動機經常處于過渡過程狀態。對于正常的井況,抽油機在吸油(即油桿提升)過程中,電動機處理重負載運行狀態;而當油桿下降時,電動機則處于輕載或空載狀態。對于同一口井,在不同的井況下,例如井內的油氣含量或油的粘度發生變化時,雖然同樣都是吸油過程,但電動機的負載情況亦將隨井況的變化而變化,對于不同的井況,由于游梁平衡情況調節的不同。根據油田大量的現場測試數據發現,抽油機的平均負荷一般為最大負荷的1/3,電動機的負荷率大部分在10%~20%,最高的也不過30%。電動機的平均負荷率低,其容量沒有被充分利用,這就是所謂的“大馬拉小車”現象。

出現這種現象的原因是有其合理性的。首先,抽油機啟動時都是帶載啟動,慣性矩較大,啟動時又總在上下死點處啟動,油田在選配電機時為了啟動順利,不影響生產,一般按最大扭矩選配電機,而抽油機啟動后正常工作時平均轉矩與最大扭矩相比又較低,所以電機輸入功率僅有額定功率的三分之一,這是造成“大馬拉小車”的主要原因。其次,油田在選配電機時考慮油井工況異常,如砂卡結蠟時,不致因氣動困難燒毀電動機,當油井負荷因修井等原因負荷變大時不頻繁更換電動機,而人為又增大了欲量,加劇“大馬拉小車”這一現象。

“大馬拉小車”現象是抽油機耗能的主要原因。低負荷運轉不僅造成電機效率低、功率因素低,而且周期性的負荷波動,使電機轉速波動,增加了電機的損耗。所以,為實現抽油機節能,必須克服“大馬拉小車”現象所帶來的負面影響,使電機處于經濟運行狀態。

③電動機發電所造成的能耗

 抽油機負載波動很大,因此在抽油機的正常運轉中會出現抽油機的運轉速度大于電機對它的驅動速度的情況。這時,抽油機就拖動電機發電。從現場實測的上百次的抽油機用電功率曲線來分析,一般都存在抽油機拖動電機發電的情況,最大發電功率甚至可達40 。

從能量流動看,負功率在抽油機電機和電網之間流動,可以減少電機的能耗。但若電動機的電不完全與電網同步,其結果不是降低能耗,而是增加了能耗。

電動機的發電現象也給抽油機節能裝置的開發帶來了很多負面影響。雖然可以通過調節平衡的方式減少發電量,但很難根除這一現象。對大多數通過變頻調壓的節能裝置來講,發電能引起變頻控制元件的過電壓,損壞節能設備。而對于一些采用補償電容的節能裝置來講,由于從電動機改發電機所配電容的接法與補償電容的接法完全相同,電容補償會使發電作用更強,節能沒有多大效果。


 


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以上資料摘錄自《自動化儀表》雜志
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