電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能在游梁式抽油機(jī)上的使用

黃先鋒，　宿伯萍

(1. 上海電科電機(jī)科技有限公司，上?！?00063；2. 哈爾濱貝特汽車(chē)電子器材廠，黑龍江 哈爾濱　150000)

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電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能在游梁式抽油機(jī)上的使用

黃先鋒1，宿伯萍2

(1. 上海電科電機(jī)科技有限公司，上海200063；2. 哈爾濱貝特汽車(chē)電子器材廠，黑龍江 哈爾濱150000)

針對(duì)游梁式抽油機(jī)的原理和運(yùn)行特點(diǎn)，在原來(lái)更換電機(jī)、加裝變頻器或節(jié)能控制箱的基礎(chǔ)上，提出了考慮游梁式抽油機(jī)井下運(yùn)行特性的整合設(shè)備、電機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)一體的電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能方案。將該方案在一些油井上進(jìn)行試驗(yàn)，節(jié)能效果良好。

游梁式抽油機(jī)； 永磁電機(jī)； 柔性智能控制系統(tǒng)； 電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能

0　引　言

游梁式抽油機(jī)是國(guó)內(nèi)外石油工業(yè)的傳統(tǒng)采油方式之一，在我國(guó)石油開(kāi)采中有桿抽油系統(tǒng)一直占主導(dǎo)地位。在我國(guó)各油田中，約80%以上的油井采用有桿抽油系統(tǒng)。游梁式抽油機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、可靠性高、耐久性好、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，在采油機(jī)械中占有舉足輕重的地位。因此，研究電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能在游梁式抽油機(jī)上的使用至關(guān)重要。

1　游梁式抽油機(jī)的負(fù)載特點(diǎn)

1.1游梁式抽油機(jī)的原理

游梁式抽油機(jī)采油系統(tǒng)主要由三部分組成。一是地面部分——游梁式抽油機(jī)，如圖1所示。其主要由電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、四連桿機(jī)構(gòu)、曲柄、平衡塊、游梁、驢頭、懸繩器、光桿等組成。二是井下部分——抽油泵，往復(fù)式抽油泵的機(jī)構(gòu)如圖2所示。其主要由泵筒、吸入閥、泵閥、柱塞(活塞)排出閥等構(gòu)成。它懸在套管中油管的下端。

圖1　游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)圖

三是抽油桿柱部分，由長(zhǎng)度數(shù)百米至數(shù)千米鋼桿連接而成，使地下設(shè)備與地面抽油機(jī)連接，即使井上設(shè)備與抽油泵的活塞連接。

游梁式抽油機(jī)采油的主要工作過(guò)程是： 電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶和減速器帶動(dòng)曲柄作接近勻速的圓周運(yùn)動(dòng)，曲柄通過(guò)連桿帶動(dòng)游梁上下擺動(dòng)，游梁前面的驢頭上下往返運(yùn)動(dòng)，驢頭上的懸繩器與井口上部的光桿連接，井口內(nèi)部的光桿與抽油桿連接。抽油機(jī)的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)活塞上下運(yùn)動(dòng)，把石油從井下提升到地面。

抽油機(jī)的工作原理： 抽油桿向上運(yùn)動(dòng)為上沖程，如圖2(a)所示。此時(shí)抽油桿帶動(dòng)油泵活塞上行，油泵的排出閥受自重和有關(guān)內(nèi)液體壓力的作用而關(guān)閉，油泵活塞提升液體向上運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，活塞下面的壓力降低，油泵下面的吸入閥打開(kāi)，液體被吸入泵內(nèi)空間。抽油桿向下運(yùn)動(dòng)稱為下沖程，如圖2(b)所示，此時(shí)抽油桿帶動(dòng)活塞下行，油泵下面的吸入閥關(guān)閉，油泵排出閥打開(kāi)，液體進(jìn)入活塞的上部。油泵活塞再往上運(yùn)動(dòng)時(shí)又將這部分液體提升。抽油機(jī)不斷地往復(fù)運(yùn)動(dòng)，油泵活塞不斷地上下運(yùn)動(dòng)，原油就源源不斷地被抽到地面上來(lái)。

1.2游梁式抽油機(jī)負(fù)載特性

游梁式抽油機(jī)將曲柄的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為抽油桿的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。由于井深一般幾百到幾千米，抽油桿由一根9m的鋼桿連接而成，其特點(diǎn)就不再是剛性，而是類似于一根很長(zhǎng)的“彈簧”。在上沖程中，抽油機(jī)要提升原油和抽油桿柱，電機(jī)(特別是永磁電機(jī))機(jī)械特性很硬，拉著抽油桿和原油上升時(shí)，除了自重還有抽油桿和油管的摩擦力及原油的粘滯阻力，這根“彈簧”是先延伸，到不能繼續(xù)延伸時(shí)，再整個(gè)跟著懸桿往上運(yùn)動(dòng)，抽油機(jī)電機(jī)的載荷很大。游梁抽油地面有效行程只有幾米，上沖程抽油桿“彈簧”效應(yīng)延伸可達(dá)30～40cm，有效行程就縮短了。在下沖程中，過(guò)最高懸點(diǎn)，抽油桿這根“彈簧”收縮再加上抽油桿柱的重力拉動(dòng)抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)，懸點(diǎn)加速度和速度增大，抽油桿“彈簧”收縮和抽油桿重量一起拖著抽油機(jī)往下“反抽”，速度超過(guò)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，電機(jī)就會(huì)處于發(fā)電狀態(tài)。因此抽油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中載荷變化很大，必須采取平衡措施。目前，游梁式抽油機(jī)普遍采用的方法是在游梁上加平衡重物來(lái)實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的平衡。由于游梁式抽油機(jī)機(jī)械機(jī)構(gòu)的限制，抽油機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)中，電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化很大。圖3是游梁式抽油機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩圖。由圖3可知，在一個(gè)工作循環(huán)中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩有較高的“峰值”和較深的“低谷”。低谷中橫線以下部分為負(fù)轉(zhuǎn)矩，負(fù)載將拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。這種波動(dòng)很大的扭矩特性，使抽油機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性要求非?？量蘙1]。

圖3　游梁式抽油機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線

1.3游梁式抽油機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求

通過(guò)前面的分析，游梁式抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)需滿足下列要求：

(1) 電機(jī)要有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以便克服平衡塊的慣性，使抽油機(jī)順利起動(dòng)。

(2) 抽油機(jī)一旦運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，由于平衡塊的慣性很大，只要很小的運(yùn)行功率，一般是電機(jī)額定功率的1/3，甚至更低。因此要求電動(dòng)機(jī)有較寬的功率曲線和功率因數(shù)曲線。

(3) 在一個(gè)周期中，電機(jī)的平均功率很小，但峰值轉(zhuǎn)矩較大，電機(jī)必須有足夠大的瞬間過(guò)載能力。

(4) 在一個(gè)周期中，電機(jī)將有一段時(shí)間處于發(fā)電狀態(tài)，發(fā)電時(shí)能將發(fā)電能量回饋給電網(wǎng)。

(5) 抽油機(jī)上、下沖程轉(zhuǎn)換時(shí)應(yīng)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，以減緩換向?qū)Τ橛蜅U的沖擊，減少抽油桿的彈性變形，延長(zhǎng)抽油泵活塞的實(shí)際行程。

上述(1)和(2)的要求是矛盾的，選用功率大的電機(jī)能滿足起動(dòng)要求，但運(yùn)行時(shí)電機(jī)的負(fù)載率很低，電動(dòng)機(jī)處于“大馬拉小車(chē)”狀態(tài)，效率和功率因數(shù)都很低。

2　游梁式抽油機(jī)機(jī)械采油系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題

游梁式抽油機(jī)的總效率在國(guó)內(nèi)一般地區(qū)只有12%～23%，先進(jìn)地區(qū)至今不到30%，系統(tǒng)效率低下，能耗大。因此，減耗提效成為有桿抽油系統(tǒng)的一個(gè)急需解決的問(wèn)題。此外，隨著老油田油井的油液位降低，井下供液不足，要求抽油機(jī)的沖程越長(zhǎng)越好，沖次越低越好。但當(dāng)前常規(guī)游梁式抽油機(jī)型行程固定且偏小同時(shí)沖次調(diào)節(jié)困難，在一定程度上已經(jīng)不能滿足長(zhǎng)沖程、低沖次生產(chǎn)的要求。注水開(kāi)發(fā)，以液保油，是油田保證原油穩(wěn)產(chǎn)的趨勢(shì)。

2.1系統(tǒng)效率低的問(wèn)題

游梁抽油舉升系統(tǒng)由地面電機(jī)控制傳動(dòng)設(shè)備及井下抽油設(shè)備組成。系統(tǒng)效率是各部分效率的連乘積，任何一環(huán)的效率低，都會(huì)使系統(tǒng)效率變低。因此要提高抽油機(jī)系統(tǒng)的總效率，實(shí)現(xiàn)減耗是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程問(wèn)題。

2.2能耗大的主要問(wèn)題

由于在同一工況、井況和同一時(shí)刻下，井下的能耗因地面游梁機(jī)型不同而會(huì)發(fā)生充滿度、沖程損失、光桿功率的變化。致使抽油機(jī)能耗大的主要原因有：

(1) 抽油機(jī)的負(fù)荷特性與異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性不匹配，甚至出現(xiàn)“發(fā)電機(jī)”工況，出現(xiàn)二次能量轉(zhuǎn)化。電機(jī)在一個(gè)沖程中的某個(gè)時(shí)段下落的抽油桿反向拖動(dòng)，運(yùn)行于再生發(fā)電狀態(tài)，抽油桿下落所釋放的機(jī)械能有部分轉(zhuǎn)變成了電能回饋電網(wǎng)，但所回饋的電能不能全部被電網(wǎng)吸收，引起附加能量損失，同時(shí)負(fù)轉(zhuǎn)矩的存在使減速器的齒輪經(jīng)常受反向載荷，產(chǎn)生背向沖擊，降低了抽油機(jī)的使用壽命,增加了損耗。

(2) 常規(guī)抽油機(jī)運(yùn)行的懸點(diǎn)加速度、速度最大值過(guò)大，影響懸點(diǎn)載荷，動(dòng)載荷增大。采用對(duì)稱循環(huán)工作制使井下油液充滿度下降，影響產(chǎn)量，泵效率降低，能耗也增大。

(3) 當(dāng)前游梁式抽油機(jī)都是驅(qū)動(dòng)電機(jī)“大馬拉小車(chē)”直接起動(dòng)。因?yàn)槌橛蜋C(jī)是變載運(yùn)行，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電流都很大，但運(yùn)行負(fù)載又很小，電機(jī)負(fù)載率一般約30%，甚至更低，此狀態(tài)運(yùn)行效率很低，功率因數(shù)也很低，饋電變壓器帶載能力降低，線路附加損耗增大。

(4) 由于常規(guī)抽油機(jī)是變載荷周期運(yùn)行，機(jī)械沖擊、疲勞失效是整個(gè)機(jī)采系統(tǒng)的先天缺欠。因此，機(jī)械故障與機(jī)件損壞維修費(fèi)用增大了油田的生產(chǎn)成本，增大了消耗。

2.3供液不足產(chǎn)生的問(wèn)題

隨著油田開(kāi)發(fā)的不斷進(jìn)行，油井產(chǎn)能受到地質(zhì)特征、油藏管理、采油工程、生產(chǎn)維護(hù)等多方面影響。當(dāng)油層的供液量發(fā)生變化時(shí)，就需要對(duì)老油井抽汲參數(shù)優(yōu)選，否則，當(dāng)供液不足時(shí)，就可能會(huì)出現(xiàn)空抽現(xiàn)象使能耗增高。當(dāng)供液充足時(shí)，抽汲強(qiáng)度偏低，就會(huì)限制油井的產(chǎn)液量。由于現(xiàn)有常規(guī)游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)限制，無(wú)論沖程還是沖次的調(diào)節(jié)都不連續(xù)，很難達(dá)到理論要求。特別是低產(chǎn)低效井，調(diào)低沖次很困難。換多極電機(jī)和減速箱增加了費(fèi)用消耗，而且井況變化仍需調(diào)整，使用變頻調(diào)速是應(yīng)用較多的方法。采用變頻器雖然解決了常規(guī)抽油機(jī)沖次減少的問(wèn)題，但仍然不能改變抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力、加速度、載荷變化都沒(méi)有變。降低沖次的方案效果對(duì)比如表1所示。

表1　降低抽油機(jī)沖次的方案對(duì)比

3　國(guó)內(nèi)各地區(qū)主要采用的典型措施

3.1改進(jìn)抽油機(jī)本體——更換節(jié)能型游梁式抽油機(jī)

(1) 采用異相式抽油機(jī)，改變抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。降低上沖程的速度和加速度，改變每個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期的上下沖程的周期時(shí)間，部分改善了抽油機(jī)應(yīng)力狀況，但因?yàn)槌橛蜋C(jī)的原理和結(jié)構(gòu)限制收效受限。

(2) 采用新的抽油機(jī)平衡結(jié)構(gòu)。其中有游梁平衡和曲柄平衡等方案。但由于沒(méi)有真正地改變運(yùn)行規(guī)律，雖然沖擊載荷有了部分改善，但對(duì)井下工況沒(méi)有根本解決。

3.2更換抽油機(jī)電機(jī)

(1) 采用高轉(zhuǎn)差率電機(jī)。高轉(zhuǎn)差率電機(jī)與普通電機(jī)相比，因?yàn)檗D(zhuǎn)子電阻率大，有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，可以適當(dāng)降低電機(jī)容量，適合抽油起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、運(yùn)行負(fù)載輕的特點(diǎn)，提高電機(jī)的負(fù)載率。高轉(zhuǎn)差率電機(jī)機(jī)械特性軟，在抽油過(guò)程中，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加時(shí)，電機(jī)速度下降；負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小時(shí)，轉(zhuǎn)速上升。此特性可以減小抽油桿的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力，減小彈性變形，減少斷桿和脫桿，延長(zhǎng)抽油桿使用壽命。對(duì)低產(chǎn)井和稠油井來(lái)說(shuō)，可以增加井下充滿度和油液產(chǎn)量，提高抽油系統(tǒng)的效率。另外還可以降低減速機(jī)的最大峰值轉(zhuǎn)矩，延長(zhǎng)抽油系統(tǒng)的壽命。但是由于此電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻率大、發(fā)熱厲害、電機(jī)效率低、功率因數(shù)低而一直飽受詬病。類似的機(jī)械特性配合節(jié)能的還有繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)加IGBT橋式整流電路，也有一定的效果。近些年，采油工藝的發(fā)展日趨于大沖程、低沖次，這種工藝本身就能最大限度地減少慣性負(fù)荷和振動(dòng)負(fù)荷，因此超高轉(zhuǎn)差率電機(jī)的應(yīng)用范圍被大大縮小。

(2) 采用稀土永磁同步電機(jī)。抽油機(jī)電機(jī)用的稀土永磁同步電機(jī)采用異步起動(dòng)、同步運(yùn)轉(zhuǎn)方式，或者叫高效高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩自起動(dòng)永磁同步電機(jī)。相比普通電機(jī)： ① 其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)可達(dá)2.8～3.5 倍，過(guò)載能力強(qiáng)，電機(jī)容量可以減?。虎?此電機(jī)轉(zhuǎn)子起動(dòng)時(shí)靠鼠籠條起動(dòng)，牽入同步后靠轉(zhuǎn)子上永磁體磁場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)需勵(lì)磁電流，因而功率因數(shù)和效率都很高；③ 這種電機(jī)在20%～120%負(fù)載時(shí)效率和功率因數(shù)都很高；④ 此 永磁電機(jī)容易做成低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)，普通電機(jī)高極數(shù)的很少，因?yàn)樾侍?，而永磁電機(jī)因?yàn)檗D(zhuǎn)子上沒(méi)有損耗，因而效率可以做得比較高。針對(duì)油井液位低而需要降低沖次，最近幾年在油田上出現(xiàn)了12極、16極、24極甚至32極的永磁電機(jī)。以上特點(diǎn)，決定了永磁電機(jī)在油田游梁式抽油機(jī)的節(jié)能效果。但是電機(jī)具有比Y系列電機(jī)還硬的機(jī)械特性，使負(fù)有功和功率最小值增加，加劇抽油機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)。與高轉(zhuǎn)差率電機(jī)相比，其未消減振動(dòng)載荷的能力，反而會(huì)增大對(duì)減速箱齒輪的沖擊損害；也發(fā)生過(guò)皮帶拉斷，甚至懸桿拉脫等情況；釹鐵硼材料磁性強(qiáng)，一旦電機(jī)燒毀就要專業(yè)廠家維修；此外轉(zhuǎn)子極數(shù)不能根據(jù)調(diào)參的需要實(shí)行變極調(diào)速。

3.3控制與饋電方面的節(jié)能措施——節(jié)能配電箱

節(jié)能配電箱主流產(chǎn)品有四大類：

(1) △-Y轉(zhuǎn)換配電箱?！?Y轉(zhuǎn)換適合負(fù)載率低于30%、大馬拉小車(chē)嚴(yán)重的抽油井使用。電機(jī)三角形起動(dòng)后，再將定子繞組切換成星型接法運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣運(yùn)轉(zhuǎn)功率只有三角形時(shí)的1/3，要防止負(fù)載超過(guò)1/3時(shí)燒毀電機(jī)。轉(zhuǎn)換后平衡變差，如果角接時(shí)平衡性差，轉(zhuǎn)換后平衡性更差。

(2) 變頻控制器。變頻控制柜實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟起動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊，電機(jī)功率因數(shù)可由0.25～0.50提高到0.90以上，從而減輕電網(wǎng)及變壓器的負(fù)擔(dān)，降低了線損；操作方便，不需停產(chǎn)即可根據(jù)油井的實(shí)際供液能力，動(dòng)態(tài)調(diào)整抽取速度。利用最新研制的四象限矢量控制變頻調(diào)速器，配以過(guò)程控制、位置傳感等技術(shù)改造現(xiàn)有的抽油機(jī)，可以部分實(shí)現(xiàn)油井節(jié)電、增效和增產(chǎn)，提高了部分有桿抽油系統(tǒng)的機(jī)采效率，但沒(méi)有改變桿柱的應(yīng)力和速度分布，以及懸點(diǎn)載荷變化規(guī)律，只考慮了地面的問(wèn)題，綜合效果不明顯。大量使用變頻器，要考慮諧波治理問(wèn)題[2]。

(3) 無(wú)功補(bǔ)償器。無(wú)功補(bǔ)償器主要是針對(duì)抽油電機(jī)負(fù)載率低、功率因數(shù)低的情況，采用加裝一定容量的電容器對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)，降低供電變壓器負(fù)荷，從而降低網(wǎng)損，達(dá)到節(jié)電的目的。這種技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，功率因數(shù)能提高到0.5～0.6，其缺點(diǎn)是電容器容易損壞。

(4) 晶閘管調(diào)壓節(jié)能箱。主要是采用單片機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)電壓與電流之間的相位差變化，控制晶閘管的導(dǎo)通角，自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的供電電壓，使電機(jī)在空載或輕載時(shí)降壓運(yùn)行，從而達(dá)到提高功率因數(shù)和節(jié)能的目的。但晶閘管會(huì)引起電流產(chǎn)生諧波，進(jìn)而引起電機(jī)發(fā)熱和振動(dòng)，影響了節(jié)電效果。

4　電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的使用

現(xiàn)階段，提高游梁式抽油機(jī)機(jī)采系統(tǒng)效率主要是地面節(jié)能，提高地面效率，除了調(diào)參工作外，提高井下效率工作開(kāi)展得很少，而當(dāng)前油田機(jī)采系統(tǒng)效率低的主要問(wèn)題是井下效率低。隨著我國(guó)很多油田老化、液位降低和很多稠油井的開(kāi)采，提高井下效率才是提高機(jī)采系統(tǒng)效率的主要工作。

要提高機(jī)采系統(tǒng)的效率，就要從游梁式抽油機(jī)本身、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制系統(tǒng)三方面統(tǒng)一考慮，采用系統(tǒng)節(jié)能的方式，才可能達(dá)到理想的效果。以上分析顯示，光靠哪一方面都不能解決根本的問(wèn)題。游梁式抽油機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)是： 在上沖程中，電機(jī)拉著抽油桿和原油上升時(shí)，抽油桿在自重、抽油桿和油管摩擦力及原油的粘滯阻力下，先延伸，再跟著懸桿往上運(yùn)動(dòng)，抽油機(jī)電機(jī)的載荷很大，有效行程縮短；在下沖程中，抽油桿收縮再加上抽油桿柱的重力拖著抽油機(jī)往下“反抽”，電機(jī)就會(huì)處于發(fā)電狀態(tài)。高轉(zhuǎn)差電機(jī)的軟機(jī)械特性適合抽油機(jī)的特性，但是發(fā)熱嚴(yán)重、效率低；永磁電機(jī)效率高，功率因數(shù)高，機(jī)械特性太硬；變頻器可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，調(diào)整抽取速度，增效增產(chǎn)，但是目前只考慮了地上部分的節(jié)能。若是根據(jù)油井地下部分的特點(diǎn)，利用變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將普通電機(jī)或永磁電機(jī)的硬特性變軟，在上沖程中，先低速慢慢將整個(gè)抽油桿拉動(dòng)，再加速，則可以有效避免抽油桿的彈性延伸，增加有效行程；在下沖程中，抽油桿沒(méi)有彈性延伸，則“反抽”力減小，這時(shí)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，減小抽油桿下降速度，讓機(jī)采系統(tǒng)牽拉著抽油桿慢慢下降，避免電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，提高井下泵筒的充滿度。這樣通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)的配合，讓電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，去配合抽油機(jī)的運(yùn)行特性，提高泵效和整個(gè)機(jī)采系統(tǒng)的效率，降低噸油耗電量。

哈爾濱貝特汽車(chē)電子器材廠在此理念上開(kāi)發(fā)了“BT超柔性智能調(diào)參量油高泵效運(yùn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”，如圖4所示。該系統(tǒng)在減速機(jī)輸出軸位置安裝速度傳感器，在懸繩處安裝載荷位置傳感器，在井口處安裝傳感器測(cè)量采液量，隨時(shí)采集參數(shù)，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)隨時(shí)調(diào)整變頻器輸出，調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。該柔性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

圖4　BT超柔性智能調(diào)參量油高泵效運(yùn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

(1) 改變了抽油機(jī)傳統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式。在保證生產(chǎn)需要的前提下，把電機(jī)的勻速運(yùn)行改變?yōu)殡S機(jī)的變速運(yùn)行，從而使抽油機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷及受力狀態(tài)有了一個(gè)根本的改變，實(shí)現(xiàn)了舉升全過(guò)程的柔性運(yùn)行。

(2) 因?qū)崿F(xiàn)了柔性起動(dòng)和運(yùn)行，該系統(tǒng)降低了柱塞上沖程的加速度，使泵固定閥打開(kāi)吸入液體時(shí)減少了吸入口的真空度，防止了液體中的氣體析出，提高了泵的充滿度，有效避免了氣鎖現(xiàn)象。該系統(tǒng)具有在各種沖次都能保持最低的懸點(diǎn)載荷功能。在下沖程中對(duì)桿柱采取了有效的牽拉作用，改善了抽油機(jī)的平衡，較好地限制了泵管和桿柱的偏磨和液擊。

(3) 由于降低了懸點(diǎn)載荷，從而降低了作用在光桿上的應(yīng)力與應(yīng)變，使泵桿伸長(zhǎng)變形為最小，實(shí)現(xiàn)了最小的沖程損失。增加了泵效，同時(shí)也減輕了減速機(jī)、電機(jī)和桿柱的負(fù)荷，延長(zhǎng)了設(shè)備及機(jī)件的使用壽命，以及舉升系統(tǒng)運(yùn)行的維護(hù)周期。既減少了機(jī)械運(yùn)行損耗，同時(shí)降低了電能的消耗。

(4) 可以隨時(shí)檢測(cè)到每沖程的抽液量。智能地根據(jù)每個(gè)沖程的抽液量多少來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)每分鐘的沖次，提高了泵筒液體的充滿系數(shù)，使抽油機(jī)舉升系統(tǒng)效率達(dá)到理想值，適合各種地質(zhì)和不同滲透性油田，最低沖次可以在0.5次/min或者更低沖次平穩(wěn)運(yùn)行?？梢栽O(shè)定防空抽模式，在設(shè)定值出現(xiàn)時(shí)自動(dòng)停機(jī)，還可以按要求自動(dòng)開(kāi)機(jī)。

(5) 該系統(tǒng)如果工作在自動(dòng)設(shè)置沖次的模式下，可以自動(dòng)找到最佳充滿度條件下的運(yùn)行沖次，使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

此柔性驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)在吉林油田、華北油田、江蘇油田和大慶油田部分油井進(jìn)行了試驗(yàn)，節(jié)能效果明顯。

[1]馬文忠，白連平.異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能原理與技術(shù)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2]周勝，趙凱.電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能實(shí)用指南[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

Motor System Energy Saving of Beam Oil Pumping Machine

HUANGXianfeng1，SUBoping2

(1. Shanghai Dianke Electronic Technology Co., Ltd.， Shanghai 200063， China； 2. Harbin Beite Auto Electronic Equipment Factory， Harbin 150000， China)

According the operation principle and characteristics of the beam oil pumping machine, which was on the basis of the replacement motor, the installation of frequency conversion and energy saving control box, proposed motor system energy saving program which was considered beam pumping machine operating characteristics in the well, integration of equipment, motor and drive control system. Test in some wells, energy-saving effect was good.

beam oil pumping machine； permanent-magnet motor； flexible intelligent control system； motor system energy-saving

黃先鋒(1972—)，男，專科，工程師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)系統(tǒng)節(jié)能和電機(jī)制造工作。

TM 351

A

1673-6540(2016)08- 0093- 05

2016-04-25