抽油機(jī)節(jié)能電控裝置綜合分析

2 間抽控制器（POC）

由于抽油機(jī)是按照油井最大化的抽取量來(lái)進(jìn)行選擇的，并且還留有設(shè)計(jì)余量。另外，隨著油井由淺入深的抽取，井中液面逐漸下降，泵的充滿(mǎn)度越來(lái)越不足，直到最后發(fā)生空抽的現(xiàn)象，如果不加以控制，就會(huì)白白地浪費(fèi)大量的電能。對(duì)于這種油井，最簡(jiǎn)單的方法是實(shí)行間抽，即當(dāng)油井出液量不足或發(fā)生空抽時(shí)，就關(guān)閉抽油機(jī)，等待井下液量的蓄積，當(dāng)液面超過(guò)一定深度時(shí)，再開(kāi)啟抽油機(jī)，這樣就提高了抽油機(jī)的工作效率，避免了大量的電能浪費(fèi)。

間抽控制的原始做法是派人定時(shí)到油井去開(kāi)停抽油機(jī)，即使在發(fā)達(dá)國(guó)家，目前也還有不少油井采用這種人工控制方式，以便解決抽油機(jī)的低效和浪費(fèi)問(wèn)題。這種做法每天要派人去井場(chǎng)操作好幾次，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)才能摸索出適合各油井的間抽規(guī)律，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。于是就引入了定時(shí)鐘，只須設(shè)定開(kāi)、停機(jī)時(shí)間，便能自動(dòng)地進(jìn)行間抽控制，但是，這仍然無(wú)法解決令抽油機(jī)的工作能力動(dòng)態(tài)地響應(yīng)油井負(fù)荷的變化，以達(dá)到最佳的節(jié)能效果，同時(shí)，還有可能會(huì)影響油井的產(chǎn)量。

為了解決上述問(wèn)題，通過(guò)安裝相關(guān)的傳感器，精確感知油井負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)智能間抽控制（IPOC）。為此，可采用各種不同的傳感器達(dá)到控制目的，下面分別予以介紹。

2.1 液面探測(cè)器

如果能直接測(cè)出井中的液面，那么就可以用它來(lái)控制抽油機(jī)的運(yùn)行。當(dāng)液面高度超過(guò)泵時(shí)，就啟動(dòng)抽油機(jī)；當(dāng)液面降到泵的吸入口處時(shí)，就關(guān)閉抽油機(jī)，避免空抽的發(fā)生。早期的方法是使用永久式的井下壓力傳感器來(lái)檢測(cè)液面，現(xiàn)代則是利用聲波裝置從地面上自動(dòng)監(jiān)測(cè)井下液面深度，但是，由于裝置復(fù)雜，維修費(fèi)用高而沒(méi)有得到普及。

2.2 流量傳感器

在井口通過(guò)流量傳感器檢測(cè)油井的出液量，是實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)控制最直接，也是最有效的方法。但是，由于國(guó)內(nèi)的油井產(chǎn)量太低，有些油井的產(chǎn)量每天只有幾m³，甚至不足1m³，合10cm³/s。這么小的流量檢測(cè)，對(duì)于各種類(lèi)型的流量傳感器來(lái)講都是一個(gè)難題，再加上井中采出的油液中含有大量的泥沙和蠟塊，經(jīng)常會(huì)發(fā)生堵塞現(xiàn)象，因而也未能獲得推廣應(yīng)用。

2.3 電機(jī)電流傳感器

應(yīng)當(dāng)說(shuō)，電機(jī)電流的檢測(cè)是最方便、最可靠，也是最為廉價(jià)的方法。當(dāng)發(fā)生空抽時(shí)，下沖程開(kāi)始時(shí)游動(dòng)閥并沒(méi)有打開(kāi)，光桿載荷為桿柱重量及游動(dòng)閥上部液柱的重量之和，可平衡掉大部分的配重的重量，電動(dòng)機(jī)只要用很小的能量就可將桿柱送入井底，電機(jī)電流較?。划?dāng)油井中泵的充滿(mǎn)度較高時(shí)，下沖程開(kāi)始不久，游動(dòng)閥即打開(kāi)，泵中液面托住了游動(dòng)閥上部的液柱重量，并且使抽油桿柱也浸沒(méi)在液體中，因而光桿載荷只是桿柱在液體中的浮重，這也就意味著電機(jī)將用較大的能量來(lái)舉起曲柄或游梁尾部的平衡塊的重量才能將桿柱送入井底，因而電流就較大。

在下沖程時(shí)設(shè)置一個(gè)設(shè)定值，當(dāng)發(fā)生空抽時(shí)，實(shí)際電流將降至此值以下，控制器就關(guān)閉抽油機(jī)。也可通過(guò)電機(jī)的平均電流進(jìn)行檢測(cè)，從實(shí)際平均電流的下降中也可很容易地鑒別出空抽的發(fā)生。但是，電流的檢測(cè)受到抽油機(jī)配重的影響而使實(shí)際的電機(jī)電流變得很難控制，絕不像某些膚淺的文章中所描述的那樣，是近似方波的電流波形。實(shí)際的抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的扭矩（電流）曲線(xiàn)如圖3所示。這種不規(guī)則的扭矩（電流）曲線(xiàn)，只有通過(guò)抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和平衡曲線(xiàn)的改變方能改變，而不是通過(guò)電控裝置可以實(shí)現(xiàn)的，因此，這是一個(gè)機(jī)電一體化的系統(tǒng)工程問(wèn)題。

圖3 采用普通異步電動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)抽油機(jī)上的慣性扭矩當(dāng)量

2.4 抽油桿載荷傳感器

普遍采用的方法是通過(guò)特制的傳感器，對(duì)抽油機(jī)的光桿載荷進(jìn)行檢測(cè)，因?yàn)椋鈼U載荷是井下泵運(yùn)行情況的最好監(jiān)視器，并且它不受平衡配重的影響。泵的充盈系數(shù)（包括空抽）通過(guò)對(duì)抽油桿載荷的分析可以很容易地被檢測(cè)出來(lái)。另外，更重要的是抽油桿載荷數(shù)據(jù)，加上抽油桿位置的信息，正是分析井下工況的“示功圖”的必備數(shù)據(jù)，利用這些信息可對(duì)抽油機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行全面的分析。

在光桿或游梁上安裝測(cè)力傳感器可以測(cè)出抽油桿的載荷數(shù)據(jù)。光桿測(cè)力傳感器比較準(zhǔn)確，但易于損壞；安裝在游梁上的傳感器準(zhǔn)確度比較低，但比較耐用。國(guó)內(nèi)已有抽油機(jī)專(zhuān)用的測(cè)力傳感器產(chǎn)品。利用載荷傳感器的數(shù)據(jù)繪制的示功圖，檢測(cè)抽空控制設(shè)備的工作原理如圖4所示。
抽空控制最可靠的一個(gè)方法是計(jì)算光桿所做的機(jī)械功，因?yàn)椋瑱C(jī)械功與被示功圖所封閉的面積成正比，所以，空抽表明輸入到系統(tǒng)中的能量減少，只須計(jì)算示功圖的面積或一部分面積即可檢測(cè)抽空條件。其方法包括在示功圖上設(shè)定兩條垂直線(xiàn)，計(jì)算這兩條抽油桿位置線(xiàn)之間示功圖的面積或曲線(xiàn)下面的面積，如果用示功圖里面的面積，可檢測(cè)出圖4中的面積1減少了；如果用示功圖下面的面積，則可檢測(cè)出面積2增加了。

（a） 抽油桿載荷傳感在設(shè)定點(diǎn)處的桿載荷

（b） 變化的載荷量

（c） 抽油桿所做的機(jī)械功

圖4 監(jiān)測(cè)抽油桿載荷裝置的抽空控制設(shè)備的工作原理

同時(shí)，也可像電機(jī)電流信號(hào)一樣，通過(guò)計(jì)算光桿載荷平均值的辦法來(lái)檢測(cè)抽空的發(fā)生，較高的載荷平均值表示有可能發(fā)生空抽，而較低的載荷平均值則表示油井中液量多。

總之，間抽控制器的優(yōu)點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見(jiàn)的。

1）由于縮短了抽油時(shí)間，大大減少了能量消耗。但是，在用人工控制和定時(shí)自動(dòng)控制間抽時(shí)，由于惟恐減產(chǎn)，幾乎都會(huì)發(fā)生實(shí)際抽油時(shí)間比必要的抽油時(shí)間長(zhǎng)的情形，因而不能完全避免空抽。通過(guò)傳感器信號(hào)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的智能間抽控制器（IPOC），在檢測(cè)到空抽時(shí)立即關(guān)閉抽油機(jī)，避免了空抽的發(fā)生，平均可多節(jié)約能量20％～30％。

2）相對(duì)于人工間抽和定時(shí)間抽來(lái)講，智能間抽控制由于達(dá)到了較低的平均液面，增加了產(chǎn)量。因?yàn)?，較低的液面意味著較低的井底流壓，結(jié)果較多的液體流入井底，通?？稍霎a(chǎn)1％～4％。

3）由于消除了液擊現(xiàn)象，可使井下和地面設(shè)備的維修費(fèi)用減少25％～30％。另外，通過(guò)IPOC裝置可提前探測(cè)到油井故障，從而進(jìn)一步減少了所需的修井作業(yè)量。

4）使用微電腦技術(shù)的IPOC裝置大大增加了抽油系統(tǒng)的性能信息檢測(cè)數(shù)據(jù)，為抽油機(jī)的遙控遙測(cè)及集中控制創(chuàng)造了條件。

3 軟起動(dòng)及調(diào)壓節(jié)能型

由于抽油機(jī)的功率檔次有限，如30kN，60kN，80kN，100kN等，而每一口油井的參數(shù)都不一樣，在選配抽油機(jī)時(shí)，不可能做到量體裁衣，剛好和抽油機(jī)的功率檔次相匹配，一般留有一定的功率裕量；各型抽油機(jī)在配用電動(dòng)機(jī)時(shí)，為了保證抽油機(jī)在各種工況下正常運(yùn)行，也留有一定的功率余量；隨著油井由淺入深的抽取，油井的產(chǎn)液量越來(lái)越少，抽油機(jī)的負(fù)荷也相應(yīng)減小。由于上述原因，就造成了抽油機(jī)的實(shí)際負(fù)載率普遍偏低，大部分抽油機(jī)的負(fù)載率在20％～30％之間，最高也不會(huì)超過(guò)50％，形成大馬拉小車(chē)的現(xiàn)象。而當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于輕載運(yùn)行時(shí)，其效率和功率因數(shù)都較低，此時(shí)若適當(dāng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子的端電壓，使之與電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率合理匹配，這樣就降低了電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，從而降低電動(dòng)機(jī)的鐵耗和從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率，可以提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率和功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)能的目的。