游梁式抽油機倒發(fā)電危害機理及治理方法研究

洪微微（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

隨著油田耗能持續(xù)增加，節(jié)能措施不斷涌現(xiàn)[1]，但現(xiàn)有的大多數(shù)節(jié)能措施只是針對電動機低負荷運行造成電能浪費的情況，而抽油機浪費電能的另一個重要原因是抽油機拖動電動機發(fā)電[2]，即倒發(fā)電。

1 抽油機倒發(fā)電危害機理

1.1 倒發(fā)電特性

在抽油機的能量消耗構(gòu)成中，使井液上升所消耗的能量，抽油桿上升、下降與井壁井液的摩擦所消耗的能量，以及機械傳動摩擦所消耗的能量，都是抽油機工作時不可避免消耗的能量。抽油桿自重的升降所消耗的能量，從理論上可以減少到近乎為零，但實際使用中卻不是這樣。抽油機的動力是交流電動機，它具有“強”的恒轉(zhuǎn)矩特性。當交流電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速超過電動機同步轉(zhuǎn)速時，曲柄凈轉(zhuǎn)矩為負[3]（圖1），抽油機將拖動電動機運行，電動機處于發(fā)電狀態(tài)向電網(wǎng)送電。在實際測試抽油機功率曲線（圖2）中發(fā)現(xiàn)，抽油機井中交流電動機倒發(fā)電現(xiàn)象非常普遍，這也是造成抽油機地面系統(tǒng)效率不高的一個主要因素。

1.2 浪費電能機理

1.2.1 能量浪費

從能量轉(zhuǎn)換的角度考慮，取于電網(wǎng)的電能由電動機轉(zhuǎn)換為機械能，傳送給抽油機，設(shè)此時轉(zhuǎn)換效率為η1。當減速箱輸入軸的轉(zhuǎn)速大于電動機對它的驅(qū)動速度時，抽油機將一部分能量傳送給電動機，由電動機再將這部分能量轉(zhuǎn)換為電能反饋于電網(wǎng)，設(shè)此時的轉(zhuǎn)換效率為η2。整個電能—機械能—電能轉(zhuǎn)換過程的總效率η0=η1·η2，則整個轉(zhuǎn)換過程有很大一部分能量被浪費掉[2]。

圖1 抽油機井轉(zhuǎn)矩特性曲線

圖2 抽油機井電功率曲線

1.2.2 污染電網(wǎng)

由于電動機倒發(fā)電導(dǎo)致電動機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，其所發(fā)電的相位及頻率都不能達到電網(wǎng)的電能質(zhì)量要求，從而會污染電網(wǎng)，造成電網(wǎng)供電不穩(wěn)，對電動機運行產(chǎn)生不良影響，甚至損壞電動機，影響油田生產(chǎn)[4]。

2 消除倒發(fā)電現(xiàn)象技術(shù)方法

解決倒發(fā)電問題的方法有許多，總結(jié)近些年現(xiàn)場大量應(yīng)用的節(jié)能產(chǎn)品的特性，主要有兩類方法可以有效消除倒發(fā)電現(xiàn)象：通過控制曲柄速度，消除曲柄負轉(zhuǎn)矩來避免發(fā)生倒發(fā)電現(xiàn)象；通過電動機做負功時的機械瞬態(tài)分離，消除動力反傳來杜絕倒發(fā)電現(xiàn)象的發(fā)生。

2.1 速度控制技術(shù)

由倒發(fā)電產(chǎn)生特性可知，抑制或消除倒發(fā)電現(xiàn)象可通過減小或平衡電動機與曲柄轉(zhuǎn)速的速度差的方式。目前最便捷的方式是提高電動機端的轉(zhuǎn)速，保持電動機在超過同步轉(zhuǎn)速時與曲柄轉(zhuǎn)速同步，如變頻控制[5]、斷續(xù)供電[6]及索式柔性控制技術(shù)等，其中效果最明顯的是索式柔性控制技術(shù)。各項技術(shù)的對比見表1。

2.1.1 柔性控制技術(shù)原理

運用運動狀態(tài)傳感器調(diào)控電動機在曲柄不同位置的速度與功率以及光桿在不同位置的速度與加速度，避免下行速度過快導(dǎo)致抽油機拖動電動機運行，通過實時調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速，改變抽油機的剛性拖動，使其功率變化平穩(wěn)，從而避免倒發(fā)電現(xiàn)象。

2.1.2 節(jié)能效果

全廠累計實施109口井，其中老區(qū)節(jié)能技術(shù)改造94口，新投產(chǎn)井15口。從現(xiàn)場測試情況可以看出，措施后平均單井有功功率下降了0.85 kW，無功功率下降了9.49 kvar，有功節(jié)電率達到12.18%，綜合節(jié)電率達到15.26%，系統(tǒng)效率提高了4.66個百分點，節(jié)能效果較為顯著。采用柔性控制技術(shù)后效果對比見表2。

2.1.3 單井應(yīng)用實例

以L6-2200井為例，根據(jù)現(xiàn)場測試情況分析可知，柔性技術(shù)控制狀態(tài)下設(shè)備運行更為平穩(wěn)。從一個沖程范圍內(nèi)有功功率的波動情況可以看出，工頻狀態(tài)下有功功率的波動范圍從-4 kW到12 kW，波動幅度為16 kW，特別是工頻狀態(tài)下產(chǎn)生的負功功率對電網(wǎng)具有較大的污染，同時對機、桿、泵都有較大的沖擊，將嚴重影響機械設(shè)備的使用壽命；柔性控制狀態(tài)下功率波動幅度較小，僅為8.5 kW，功率運行較為平穩(wěn)，同時消除了負功功率，避免了電網(wǎng)污染，既實現(xiàn)了節(jié)能又有益于設(shè)備使用。L6-2200井在工頻狀態(tài)及柔性狀態(tài)下一個沖程（取12個點）的有功曲線見圖3及圖4。

圖3 L6-2200井工頻狀態(tài)下一個沖程的有功曲線

圖4 L6-2200井柔性狀態(tài)下一個沖程的有功曲線

2.2 超越離合技術(shù)

采用只能單方向傳輸動力的機械機構(gòu)，安裝在游梁式抽油機的傳動系統(tǒng)中，使電動機只能單向傳遞轉(zhuǎn)矩，就像自行車的飛輪一樣。當抽油機運行到下沖程中后期，電動機即將產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩的瞬間，超越離合器內(nèi)部的棘輪結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)脫開，完成瞬態(tài)超越，使抽油機的動力傳送系統(tǒng)變?yōu)閱蜗騽恿鲃樱瑒恿鞑贿^去，油桿下降的能量只能轉(zhuǎn)化為平衡塊的機械能[4]。這時電動機相當于空載運行，抽油機無法反拖電動機發(fā)電，消除了負功，杜絕了倒發(fā)電現(xiàn)象，同時提高了電動機和皮帶的傳動效率，可達到提高系統(tǒng)效率及節(jié)能的目的。

表1 速度控制技術(shù)對比

表2 柔性控制技術(shù)效果對比統(tǒng)計

表3 超越離合器效果對比統(tǒng)計

圖5 安裝前功率曲線

2.2.1 節(jié)能效果

全廠累計實施131口井。從現(xiàn)場測試情況可以看出，實施措施后平均單井有功功率下降了1.13 kW，有功節(jié)電率達到8.16%，綜合節(jié)電率達到10.13%，系統(tǒng)效率提高了5.83個百分點，節(jié)能效果較為顯著。安裝超越離合器前、后的效果對比見表3。

2.2.2 單井應(yīng)用實例

以L5-2414井為例，從功率與電流曲線看，峰值功率由55.10 kW下降到52.40 kW，下降了2.7 kW，消除了負轉(zhuǎn)矩，具有明顯超越效果，抑制了電動機倒發(fā)電現(xiàn)象。安裝超越離合器前、后的功率曲線見圖5及圖6。

3 結(jié)論

1）實施柔性控制技術(shù)后電動機運行功率平緩，消減了峰值轉(zhuǎn)矩，同時消除了工頻狀態(tài)下產(chǎn)生的負功功率，既實現(xiàn)了節(jié)能降耗，又避免了負功功率對電網(wǎng)的污染。

圖6 安裝后功率曲線

2）超越離合技術(shù)改變了抽油機原本的傳動原理，通過單向轉(zhuǎn)矩傳送，解決了電動機倒發(fā)電的問題，徹底消除了負功，有效提高電動機的傳動效率，實現(xiàn)了節(jié)能降耗。

3）抽油機運用速度控制技術(shù)和超越離合技術(shù)，均可以有效消除倒發(fā)電現(xiàn)象，同時降低了抽油機有功及無功功率，提高了系統(tǒng)效率，實現(xiàn)了節(jié)能目的。