抽油機(jī)力矩節(jié)能裝置在長(zhǎng)慶油田的應(yīng)用

楊映洲 陳 龍 陳 帥 程文濤 姚建豪 朱東華

（1. 長(zhǎng)慶油田第三采氣廠 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯）（2. 河南油田測(cè)井公司 河南 南陽）

0 引 言

目前，全國(guó)各大油田均進(jìn)入了二次開采、三次開采階段，開采難度高，設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行程度低，大馬拉小車的現(xiàn)像時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致油田作業(yè)人員人工勞動(dòng)強(qiáng)度大。由于油田機(jī)采井抽油機(jī)是一種大慣量變化負(fù)載，所采用的拖動(dòng)設(shè)備是三相異步電機(jī)，普遍存在效率低，不便調(diào)速，上下沖程不可調(diào)，功率因數(shù)低等弊端。例如：一臺(tái)37 kW 電機(jī)的抽油機(jī)，其實(shí)際輸出功率不足15 kW，這不是一個(gè)偶爾現(xiàn)象，而是一個(gè)普遍問題。油田是產(chǎn)能大戶，同時(shí)也是耗電大戶，其中抽油機(jī)耗電占整個(gè)油田耗電的60%以上，因此降低抽油機(jī)的電耗，也就降低了原油的生產(chǎn)成本，減少了電費(fèi)開支，因此抽油機(jī)節(jié)電是非常重要而且也非常必要的。因此抽油機(jī)能源的浪費(fèi)及如何提高其產(chǎn)量的問題，已越來越得到人們的關(guān)注，并已有大量的科研機(jī)構(gòu)和科研人員投入大量的精力、財(cái)力進(jìn)行相關(guān)的研究與試驗(yàn)，抽油機(jī)力矩直接控制節(jié)能裝置能夠較好的解決上述問題因而得到廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。

抽油機(jī)力矩直接控制節(jié)能裝置采用全閉環(huán)設(shè)計(jì)、節(jié)能增效顯著，本裝置是結(jié)合油田油井運(yùn)行工況和變頻節(jié)能的技術(shù)開發(fā)而成，當(dāng)油井產(chǎn)液量發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)能跟蹤中央微控制器采用雙16 位計(jì)算機(jī)控制，裝置將快速自動(dòng)改變變頻輸出，始終保持油井的最高產(chǎn)量、最節(jié)能的方式運(yùn)行，完全解決油田生產(chǎn)中的以上問題，大大的降低人工的勞動(dòng)強(qiáng)度、降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)油田的經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)，自動(dòng)化運(yùn)行。

1 抽油機(jī)力矩直接控制節(jié)能裝置工作原理

MCS100 型系列抽油機(jī)力矩直接控制節(jié)能裝置是針對(duì)油田抽油機(jī)的特殊情況和需求，采用當(dāng)前國(guó)際上最先進(jìn)的DTC 交流電機(jī)控制理論，為油田專門開發(fā)的。電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）理論最先由德國(guó)魯爾大學(xué)Depenbrock 教授于1985 年提出。這是交流電機(jī)調(diào)速理論繼矢量控制之后的又一新的突破。

1.1 直接控制工作原理

電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論的核心在于轉(zhuǎn)矩的“直接控制”，即直接計(jì)算電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，通過開關(guān)優(yōu)化選擇控制IGBT，以達(dá)到快速實(shí)時(shí)控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的要求。系統(tǒng)包括相電流和母線電壓采集計(jì)算、速度調(diào)節(jié)器、定子磁鏈觀測(cè)器、轉(zhuǎn)矩計(jì)算、轉(zhuǎn)矩幅值調(diào)節(jié)器、磁鏈幅值調(diào)節(jié)器、逆變器開關(guān)狀態(tài)優(yōu)化選擇等主要部分。DTC 直接控制原理圖如圖1 所示。

利用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系中計(jì)算電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩，由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Bang-Bang 控制產(chǎn)生PWM 信號(hào)，對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳選擇，從而獲得高效的動(dòng)態(tài)性能1。

圖1 DTC 直接控制原理圖

控制時(shí)首先測(cè)出直流母線電壓和定子電流，再按式（1）的坐標(biāo)變換，將它們分解到方向，并在這兩個(gè)方向計(jì)算出實(shí)際的磁鏈值和轉(zhuǎn)矩值，作為反饋分別與磁通給定和轉(zhuǎn)矩給定構(gòu)成閉環(huán)，進(jìn)行Bang-Bang控制，產(chǎn)生磁鏈和轉(zhuǎn)矩請(qǐng)求信號(hào)，同時(shí)還要計(jì)算出磁鏈所在扇區(qū)位置，最終通過轉(zhuǎn)矩請(qǐng)求、磁鏈請(qǐng)求、磁鏈扇區(qū)，使逆變器開關(guān)優(yōu)化器發(fā)出優(yōu)化的PWM 信號(hào)，驅(qū)動(dòng)IGBT，輸出電壓達(dá)到控制電機(jī)的目的。磁鏈觀測(cè)器計(jì)算公式如下式（2）所示，轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器計(jì)算公式如下式（3）所示。

直接轉(zhuǎn)矩控制理論在應(yīng)用的初期，雖然遇到一些問題和質(zhì)疑，但是其非常優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性和非常高的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性得到了普遍認(rèn)可。近幾年隨著這一技術(shù)的廣泛應(yīng)用和進(jìn)一步完善，引起了更多人和廠家的關(guān)注。非常適合油田實(shí)際工況需求2。

1.2 綜合節(jié)電率計(jì)算：

對(duì)節(jié)電率測(cè)試驗(yàn)收，采用直接在用電設(shè)備上安裝三相有功電度表，比較在負(fù)荷相近的情況下、相同的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，市電與節(jié)電兩種運(yùn)行方式下的實(shí)際用電量，按照以下公式計(jì)算節(jié)電率。

W市電為等時(shí)市電運(yùn)行的電度數(shù)；W節(jié)電為等時(shí)節(jié)電運(yùn)行的電度數(shù)。

電機(jī)降壓節(jié)能，主要節(jié)省的是無功功率，提高了功率因數(shù)。而有功節(jié)電主要節(jié)省的是電機(jī)自身損耗的一部分，且隨著負(fù)載率的上升而銳減：負(fù)載系數(shù)＝0.1時(shí)，有功節(jié)電率為15%； ＝0.2 時(shí)為5.3%； ＝0.3 時(shí)僅為2.1%。按照國(guó)標(biāo)GB124971995 的規(guī)定，綜合節(jié)電為 P＋KQ· Q，其中KQ 為無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量。

用型號(hào)為HIOKI-3165 三相多功能測(cè)試儀，在負(fù)荷相近的情況下、相同的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，測(cè)量市電與節(jié)電兩種運(yùn)行方式下的有功功率和無功功率等參數(shù)（這二者之間的測(cè)試至少間隔半小時(shí)），則可計(jì)算出其綜合節(jié)電率如下：

2 抽油機(jī)力矩直接控制節(jié)能裝置技術(shù)特點(diǎn)

AMCS100 型系列抽油機(jī)力矩直接控制節(jié)能裝置是針對(duì)油田抽油機(jī)的特殊情況和需求，采用當(dāng)前國(guó)際上最先進(jìn)的DTC 交流電機(jī)控制理論，為油田專門開發(fā)的。它除具備通用變頻在電機(jī)應(yīng)用上的所有優(yōu)點(diǎn)外，同時(shí)解決了以往抽油機(jī)節(jié)能產(chǎn)品中長(zhǎng)期存在的問題，有著鮮明的特點(diǎn)和很高的節(jié)能效果，同時(shí)為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化油田的目標(biāo)提供了基礎(chǔ)條件。其主要特點(diǎn)如下：

1）高效節(jié)能

AMCS100 很好的適應(yīng)了抽油機(jī)電機(jī)運(yùn)行工況存在的轉(zhuǎn)矩變化快、轉(zhuǎn)矩變化范圍大、平衡受井況變化影響等因素，把轉(zhuǎn)矩作為被控量，根據(jù)電機(jī)的負(fù)載變化情況迅速調(diào)整電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，具有極高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。最高可輸出300%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，可解決普遍存在的裝機(jī)功率大的問題。

2）所供即所需

AMCS100 很好的解決了抽油機(jī)出現(xiàn)發(fā)電態(tài)的問題，通過母線電壓限制、轉(zhuǎn)速跟蹤、自動(dòng)弱磁的方法，使電機(jī)不進(jìn)入發(fā)電態(tài)，將多余勢(shì)能直接轉(zhuǎn)換為動(dòng)能加以利用。AMCS100 可自適應(yīng)負(fù)載力矩的變化，在0 ～300%范圍內(nèi)按需供給電機(jī)能量。

3）全面提高抽油機(jī)電機(jī)運(yùn)行效率

AMCS100 大幅度提高了電機(jī)的功率因數(shù)，基本消除無功損耗。通過實(shí)際測(cè)試，功率因數(shù)達(dá)到0.98 以上，無功節(jié)電率不低于96%。

4）解決了傳統(tǒng)設(shè)備有功節(jié)能不明顯的問題

目前各類抽油機(jī)節(jié)能設(shè)備，對(duì)提高功率因數(shù)和無功節(jié)能上都取得了一定效果；但是有功節(jié)能效果很低，一般在5%以下，在抽油機(jī)沖次不變的情況下甚至出現(xiàn)負(fù)節(jié)能狀態(tài)。

AMCS100 通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，根據(jù)井況不同有功節(jié)能效果在14%～31%之間，其綜合節(jié)能效果明顯高于其它節(jié)能設(shè)備。

5）方便的抽油機(jī)沖次調(diào)整功能

抽油機(jī)調(diào)節(jié)沖次時(shí)需要更換皮帶輪，由于受皮帶輪最小包角地限制，最低沖次只有4 次，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

通過AMCS100 用戶可根據(jù)油井地層供液能力的變化很方便的調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使抽油機(jī)的沖次與地層供液能力達(dá)到合理的匹配，提高系統(tǒng)效率，達(dá)到節(jié)電的效果。

6）完整的電機(jī)保護(hù)及自檢功能

AMCS100 具有完整的自檢功能，可以即時(shí)的檢測(cè)到電機(jī)運(yùn)行過程中所有重要的信息，對(duì)異常變化會(huì)及時(shí)作出反應(yīng)。在輸入斷相，輸出斷相、輸出短路、過流、過壓、超速等非正常情況下對(duì)電機(jī)提供全面完整的保護(hù)。

7）控制器與工頻自動(dòng)切換功能

AMCS100 實(shí)現(xiàn)了DTC 控制與工頻的自動(dòng)切換，用戶也可以手動(dòng)實(shí)現(xiàn)切換，這樣很方便維護(hù)，并保證抽油機(jī)不間斷的工作。

8）啟動(dòng)升速時(shí)間可設(shè)定，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)控制

AMCS100 在電機(jī)啟動(dòng)升速時(shí)可根據(jù)油井的負(fù)載情況對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，有效的降低了啟動(dòng)時(shí)對(duì)電機(jī)及電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命，降低機(jī)械磨損。

9）擴(kuò)展靈活

考慮到未來數(shù)字化油井的趨勢(shì)及生產(chǎn)過程集中控制的需要，AMCS100 預(yù)留了支持現(xiàn)場(chǎng)總線的擴(kuò)展接口，可以很方便的將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴弦患?jí)的管理系統(tǒng)中。可方便的加入下列擴(kuò)展功能：

工況和工圖的現(xiàn)場(chǎng)顯示；

工況和工圖的有線與無線傳輸；

專家系統(tǒng)建立。

可連接自動(dòng)油、液面檢測(cè)系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)抽油機(jī)的沖刺、啟停，進(jìn)一步提升綜合節(jié)能效果。

專用的手持編程器，現(xiàn)場(chǎng)總線接口、可以帶電熱插拔、中文大屏幕液晶顯示、界面友好、使用簡(jiǎn)單3。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

抽油機(jī)力矩直接控制節(jié)能裝置于2009 年10 月正式投入使用，截止目前已推廣應(yīng)用于河南油田、長(zhǎng)慶油田、新疆油田等國(guó)內(nèi)多家油田，設(shè)備的性能和可靠性受到了用戶的一致好評(píng)。在長(zhǎng)慶油田目前已累計(jì)完成20多口采油井的節(jié)能改造，取得了較好的節(jié)電應(yīng)用效果。

圖（2）、圖（3）為在長(zhǎng)慶油田第三采油廠大343井用“HIOKI3169 電能平衡測(cè)試儀”測(cè)試的節(jié)能運(yùn)行數(shù)據(jù)，其工頻、節(jié)能平均10 min 的有功功率、無功功率對(duì)比測(cè)試記錄。

圖2 抽油機(jī)工頻狀態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖3 抽油機(jī)節(jié)能狀態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)

抽油機(jī)力矩直接控制節(jié)能裝置采用“HIOKI3169電能平衡測(cè)試儀”測(cè)試的節(jié)能運(yùn)行節(jié)能效果對(duì)比見表1。

表1 抽油機(jī)力矩直接控制節(jié)能裝置節(jié)能效果對(duì)比

從上表通過測(cè)試結(jié)果看，利用抽油機(jī)力矩直接控制節(jié)能裝置的有功節(jié)電率為18.765%，無功節(jié)電率為98.78%，綜合節(jié)電率為28.65%。由此可見抽油機(jī)力矩直接控制節(jié)能裝置節(jié)電效果顯著且仍在延續(xù)。

4 結(jié) 論

通過對(duì)抽油機(jī)力矩直接控制節(jié)能裝置在長(zhǎng)慶油田生產(chǎn)中的應(yīng)用效果分析表明：利用抽油機(jī)力矩直接控制節(jié)能裝置對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行節(jié)能應(yīng)用，具有安裝方便，適應(yīng)性強(qiáng)，安全可靠，自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單，節(jié)電效果顯著。因此該系列節(jié)電控制器必將隨著油田開發(fā)程度的不斷深入，獲得更廣泛的應(yīng)用。

[1] 陳國(guó)呈. PWM 變頻調(diào)速及軟開關(guān)電力變換技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001

[2] 王念旭. DSP 基礎(chǔ)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001

[3] 西安科瑞自動(dòng)化有限責(zé)任公司. AMCS100PK 系列抽油機(jī)力矩直接控制節(jié)能裝置說明書. 2009（資料）