抽油機(jī)節(jié)能電控裝置綜述（2）

1）普通電動(dòng)機(jī)的η及cosψ曲線陡峭；

2）CJT電動(dòng)機(jī)的η及cosψ曲線平坦；

3）普通電動(dòng)機(jī)在額定輸出功率點(diǎn)，η及cosψ較高，運(yùn)行最經(jīng)濟(jì)；

4）在輕負(fù)載時(shí)，普通電動(dòng)機(jī)的η及cosψ較低，CJT電動(dòng)機(jī)的η及cosψ較高。

從前面的介紹可知，抽油機(jī)固有的設(shè)計(jì)及運(yùn)行特點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行工況相比，不可避免地出現(xiàn)了大馬拉小車的不合理匹配。抽油機(jī)維持在PH點(diǎn)的負(fù)載，在現(xiàn)場(chǎng)從未出現(xiàn)過，絕大部分負(fù)載在電動(dòng)機(jī)額定功率（指輸出功率）20％～30％左右。對(duì)普通電動(dòng)機(jī)而言，如此運(yùn)行，其效率和功率因數(shù)特低。對(duì)CJT電動(dòng)機(jī)來講，由于曲線平坦，η及cosψ在負(fù)載變化情況下，其值變化不大，從而相對(duì)來講其η及cosψ高于普通電動(dòng)機(jī)，致使有功功率降低，功率因數(shù)提高。因此，就節(jié)能而言，抽油機(jī)匹配超高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)是合理的。當(dāng)然，轉(zhuǎn)差率的高低，機(jī)械特性的軟硬是否越高越好、越軟越好？對(duì)于這一問題，我們認(rèn)為新技術(shù)的成立與否是通過生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證的。轉(zhuǎn)差率高低，機(jī)械特性軟硬均應(yīng)適度，否則對(duì)其實(shí)用性、可靠性帶來不利影響。

其三，軟的機(jī)械特性造就了抽油機(jī)懸點(diǎn)最大負(fù)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。

大量的資料證明，抽油機(jī)匹配超高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)，具有顯著節(jié)能效果，而CDJT變極多速電動(dòng)機(jī)在抽油機(jī)應(yīng)用上其節(jié)能效果則更上一層樓。它通過轉(zhuǎn)速的切換而直接導(dǎo)致功率的切換。如6型抽油機(jī)原匹配電動(dòng)機(jī)18.5kW，更換為CDJT5C型變極多速電動(dòng)機(jī)，其功率轉(zhuǎn)換為8/12/16kW三個(gè)功率等級(jí)，其裝機(jī)容量分別降低13.5％，35.14％，56.76％，額定電流分別降低15.4％，28％，31.4％。通過功率切換其節(jié)能效果非常明顯地展現(xiàn)出來。

5.2 作為調(diào)參（調(diào)沖）措施的應(yīng)用

油田在采油過程中，從工藝或某些特定條件的需要出發(fā)，要調(diào)整沖次，過去和現(xiàn)在均采用較笨重的辦法，由專業(yè)人員到現(xiàn)場(chǎng)拆換皮帶輪的辦法來實(shí)現(xiàn)。整個(gè)過程需停機(jī)進(jìn)行，執(zhí)行該任務(wù)費(fèi)事、費(fèi)時(shí)，勞動(dòng)強(qiáng)度大。采用CDJT變極變速拖動(dòng)裝置，則可由采油工在幾秒鐘中內(nèi)非常方便地按下按鈕就可實(shí)現(xiàn)調(diào)沖目的，且不影響生產(chǎn)。特別是有的油田需經(jīng)常調(diào)沖的區(qū)域采用該型產(chǎn)品，倍感方便，深受現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)組織者的歡迎。

5.3 降低設(shè)備維修費(fèi)用

CJT抽油機(jī)節(jié)能拖動(dòng)裝置所具有的軟機(jī)械性能，改善了抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)負(fù)荷的不均衡性，特別是啟動(dòng)瞬間及啟動(dòng)過程，降低了對(duì)抽油機(jī)結(jié)構(gòu)件、傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊，降低了設(shè)備的維修費(fèi)用，延長了抽油機(jī)的使用壽命。

6 變頻調(diào)速節(jié)能

當(dāng)油井的地下滲透能力小于抽油機(jī)的泵排量時(shí)（絕大多數(shù)油井如此），為了提高抽吸效率，降低單位產(chǎn)量的能耗指標(biāo)，最直接的辦法是實(shí)行間抽。但是大多數(shù)的油井是不允許間歇性工作的，因?yàn)槿绻L時(shí)間停機(jī)的話，輕則會(huì)影響產(chǎn)油量，重則會(huì)使油井無法再開啟。這是因?yàn)椋?

1）含蠟量高或含鹽量高以及油的粘稠度高，且地處高寒地區(qū)的油井，如果間歇工作，會(huì)造成井口結(jié)蠟、結(jié)鹽或結(jié)油的后果，使油井無法再開啟；

2）對(duì)于注水油井，如果停止抽取，勢(shì)必會(huì)影響產(chǎn)油量，這將是得不償失的事，對(duì)于這類油井，就要采用其它的節(jié)能方法。

為了使抽油泵的排量與油井的滲透能力相適應(yīng)，可以通過改變抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。抽油泵是一種柱塞泵，對(duì)電動(dòng)機(jī)來講是一種恒轉(zhuǎn)矩性的負(fù)載，也即電動(dòng)機(jī)的電功率與其轉(zhuǎn)速成正比。這里要提醒注意的一點(diǎn)是:有人一說到泵，就想當(dāng)然地認(rèn)為和風(fēng)機(jī)、水泵一樣屬于平方轉(zhuǎn)矩型負(fù)載了，或者說“近似于泵類負(fù)載”，這都是錯(cuò)誤的。要知只有葉片式的風(fēng)機(jī)和水泵，在不計(jì)其靜扭矩時(shí)，有近似于平方轉(zhuǎn)矩的負(fù)載特性，也即：排量與轉(zhuǎn)速成正比，壓頭（或揚(yáng)程）與轉(zhuǎn)速的平方成正比，而軸功率則與轉(zhuǎn)速的立方成正比。

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，低壓變頻器已是十分成熟的電氣產(chǎn)品，并且其價(jià)格也已經(jīng)大幅度下降，目前進(jìn)口變頻器的價(jià)格約為600～700元/kW。國產(chǎn)變頻器的價(jià)格在400～500元/kW，在抽油機(jī)上大量推廣變頻調(diào)速節(jié)能改造已經(jīng)成為可能。抽油機(jī)改用變頻器拖動(dòng)以后有以下幾個(gè)好處：

1）可根據(jù)油井的實(shí)際供液能力，動(dòng)態(tài)調(diào)整抽取速度，一方面達(dá)到節(jié)能目的，同時(shí)還可以增加原油產(chǎn)量；

2）由于實(shí)現(xiàn)了真正的軟起動(dòng)，對(duì)電動(dòng)機(jī)、變速箱，抽油機(jī)都避免了過大的機(jī)械沖擊，大大延長了設(shè)備的使用壽命，減少了停產(chǎn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率；

3）大大提高了功率因數(shù)（可由原來的0.25～0.5提高到0.9以上），從而大大減少了供電電流，減輕了電網(wǎng)及變壓器的負(fù)擔(dān)，降低了線損，挖掘出大量的“擴(kuò)容”潛力。

但是，將變頻器用于抽油機(jī)拖動(dòng)時(shí)，也有幾個(gè)問題需要解決，主要是沖擊電流問題和再生能量的處理問題，下面分別加以分析。

6.1 沖擊電流問題

如圖2（見第3期P183）所示，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。也就是說抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)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)槌橛洼d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，才使得游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)變得十分復(fù)雜。因此，可以說游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)就是平衡技術(shù)。

據(jù)筆者對(duì)某油田18口井的調(diào)查，只有1～2口井的配重平衡較好，絕大部分抽油機(jī)的配重嚴(yán)重不平衡，其中有10口井的配重偏小，另有6口井配重又偏大，從而造成過大的沖擊電流，沖擊電流與工作電流之比最大可超過5倍，甚至超過額定電流的3倍！不僅浪費(fèi)掉大量的電能，而且嚴(yán)重威脅到設(shè)備的安全。同時(shí)，也給采用變頻器調(diào)速控制造成很大的困難，一般變頻器的容量是按電動(dòng)機(jī)的額定功率來選配的，過大的沖擊電流會(huì)引起變頻器的過載保護(hù)，不能正常工作。

通過對(duì)抽油機(jī)曲柄配重塊的調(diào)整，可以使沖擊電流降到電機(jī)額定電流之內(nèi)，沖擊電流與正常工作電流之比在1.5倍以內(nèi)。這樣，選用與電機(jī)額定功率同容量的變頻器，甚至略小于電機(jī)額定功率的變頻器（要視抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率而定）都可以長期穩(wěn)定運(yùn)行。

由于抽油機(jī)的起動(dòng)扭矩往往很大，慣性也很大，所以要將變頻器的加減速時(shí)間設(shè)置得足夠長，一般為30～50s，才不致在起動(dòng)時(shí)引起過載保護(hù)。

6.2 再生能量的處理問題

由于抽油機(jī)屬位能性負(fù)載，尤其當(dāng)配重不平衡時(shí)，在抽油機(jī)工作的一個(gè)沖程中，會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)工作狀態(tài)（發(fā)電狀態(tài)），電動(dòng)機(jī)由于位能或慣性，其轉(zhuǎn)速會(huì)超過同步速，再生能量通過與變頻器逆變橋開關(guān)器件（IGBT）并聯(lián)的續(xù)流二極管的整流作用，反饋到直流母線。由于交—直—交變頻器的直流母線采用普通二級(jí)管整流橋供電，不能向電網(wǎng)回饋電能，所以反饋到直流母線的再生能量只能對(duì)濾波電容器充電而使直流母線電壓升高，稱作“泵升電壓”。直流母線電壓過高時(shí)將會(huì)對(duì)濾波電容器和功率開關(guān)器件構(gòu)成威脅，為了保護(hù)電容器及功率開關(guān)器件的安全，所以，變頻器都設(shè)置了“OUD”保護(hù)——直流母線電壓高保護(hù)停機(jī)功能。

1）一種辦法是增大變頻器直流母線上濾波電容器的容量，將再生能量?jī)?chǔ)存起來，等電動(dòng)狀態(tài)時(shí)再釋放給電動(dòng)機(jī)作功。這種方法對(duì)節(jié)能有利，但是電容器的儲(chǔ)能作用是有限的；譬如，某抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的平均功率以10kW計(jì)算，回饋功率以25％計(jì)算為2.5kW，在一個(gè)沖程中發(fā)電狀態(tài)為2～3s的話，則回饋能量A_d=6000J。若采用15kW的變頻器，其直流母線濾波電容的容量為2200μF，正常工作時(shí)直流母線電壓小于600V（U_s），“OUD”保護(hù)電壓（U_sm）為800V，那么A_s=CU_sm²－CU_s²=×2200×10^－6×(640000－360000)=308J，比起6000J的回饋能量來說小得多了。即使再增加10000μF的濾波電容，也只能儲(chǔ)能1400J，因此，在大容量或者負(fù)載慣量大的系統(tǒng)中，不可能只靠濾波電容器來限制泵升電壓。