抽油機異步伺服控制器的應用效果分析與評價

陳鑫 杜唐鐘 方玉峰（長慶油田分公司第十采油廠）

1 研究背景

長慶油田第十采油廠屬于超低滲透油藏，單井產量低，只能通過控制機采能耗來降低采油成本。從實際生產用電情況來看，機采系統(tǒng)的耗電量約占總耗電量的50%左右。因此挖掘抽油機電動機的節(jié)能潛力，降低單井能耗，對于實現油田高水平、高效益開發(fā)具有重要意義[1]。

游梁式抽油機以其結構簡單、工作可靠、耐用的特點，在各種舉升方式中一直占有主導地位。第十采油廠在用抽油機以常規(guī)游梁式抽油機為主，它的負載特點決定了選用普通異步電動機來驅動抽油機不可避免會出現低負荷現象。首先，抽油機啟動時都是帶負荷啟動，慣性距較大，啟動時又總在上下死點處啟動，為了啟動順利，不影響生產，一般按最大扭矩選配電動機，而抽油機啟動后正常工作時平均轉矩與最大扭矩相比較低，電動機輸入功率僅有額定功率的三分之一，低負荷浪費大量電能，降低了電網運行質量。其次，考慮油井工況異常，如砂卡結蠟時，不致因啟動困難而燒毀電動機，人為又增大裕量，加劇低負荷的現象[2-3]。另外，游梁式抽油機作為一種四連桿機構設備，在運轉的周期內控制曲柄的電動機必然存在變速運動的趨勢。也就是說，電動機存在著拖動和被拖動兩種狀態(tài)。電動機被拖動時就會產生反拖發(fā)電。反拖發(fā)電產生的能量會以電動機發(fā)熱，并將熱量散發(fā)到空氣中。不僅造成電動機壽命的降低，還浪費了大量電能。

2017 年以來第十采油廠試驗了一種新型的節(jié)能設備——抽油機異步伺服控制器。抽油機異步伺服控制器是通過對三相異步交流電動機進行加裝控制器的改造，實現轉速、扭矩、位置的多重閉環(huán)控制，從而使電動機達到更加合理高效的運行狀態(tài)。當抽油機啟動時，異步伺服控制器的低速大扭矩特性可以用額定扭矩較小的電動機順利完成抽油機的啟動工作；抽油機正常運行時，異步伺服控制器可根據油井負載情況，通過大幅減小勵磁電流的方式改變電動機產生反拖發(fā)電的電磁環(huán)境，極大減小反拖發(fā)電的產生量，同時配合抽油機的平衡塊儲能，從根本上解決了抽油機反拖發(fā)電的現象，從而達到節(jié)電的效果。

2 伺服技術研究

異步伺服技術是從變頻技術的基礎上發(fā)展而來，具有高動態(tài)響應特性和高過載能力。相比變頻技術，增加了扭矩和位置的閉環(huán)控制。該技術最早應用于注塑機行業(yè)，為該行業(yè)的節(jié)能減排作出了重要的貢獻，此后逐步推廣至各行業(yè)。異步伺服控制器具有低速大扭矩、電動機效率高和電動機狀態(tài)可控等特點。

2.1 節(jié)能原理

異步伺服控制器對扭矩和速度可實現精確控制，電動機即將被反拖發(fā)電時，電動機輸出扭矩由大變小繼而轉為負值。當異步伺服控制器檢測到此現象時，判斷電動機處于反拖發(fā)電狀態(tài)，此時通過內置的算法調整電動機的勵磁電流，將勵磁電流衰減至無法建立磁場。因磁場消失，轉子在被負載拖動旋轉時無法有效切割磁力線，無法產生感應電流，即無法產生反拖發(fā)電。此時轉子運動時不會受到阻力作用。對于驢頭或平衡塊而言，能量直接從動能轉化為勢能[4]。動能、勢能之間轉換時，沒有產生能量損失，因而能量轉化效率極高，大幅節(jié)約了原本浪費的能量。當檢測到電動機負載逐漸增加時，控制器重新根據負載大小調整勵磁，使抽油機繼續(xù)在電動機拖動下運轉。

控制器內置的算法監(jiān)控電動機實時運行狀態(tài)，將電動機運行狀態(tài)劃分為三種類型便于確定控制器對電動機電參數的調整：實際檢測到的電動機運行姿態(tài)、電動機運行的目標姿態(tài)和計算出某一單位時間后的電動機運行姿態(tài)[5]。當這一時間單位趨向于無窮小，電動機每時每刻的運行情況都在被檢測和被調整。因此電動機時刻都按照預先設定好的運行方法運行，以最優(yōu)的電參數驅動電動機。參與運算的電參數包括了電動機軸的轉動位置、電壓、電流等參數。為了獲取電動機軸的轉動位置（角度），需在電動機尾軸加裝傳感器。這也是異步伺服控制器明顯區(qū)別于其他控制器的特征之一。其他參數如電壓、電流等，可以在控制器內直接讀取?？刂破骺刂齐妱訖C的邏輯見圖1。

圖1 控制器控制電動機邏輯圖

2.2 其他輔助功能

1）調速范圍寬。轉速可以在0.05～5 000 r/min任意調整。這意味著抽油機最低沖次可以達到0.05 次/min，對于產液量低的低滲、超低滲油田有良好的適應性[6]。

2）點動精確定位?？梢酝ㄟ^按鍵控制將驢頭懸停在任意位置，方便現場許多作業(yè)任務。

3）低速大扭矩。在低速和超低速運行時可以對電動機輸出1.5 倍額定轉矩，實現低速大扭矩，因此可以采用更小的電動機驅動現有抽油機，停機時驢頭可以停留在任何位置都可以正常啟動[7-8]。

4） 雙速間抽功能。通過在操作面板的操作，使得抽油機以一定沖次運行一定時間后自動更換為另一指定沖次運行，再運行一段時間后，自動變更為之前設定的沖次運行。起始沖次、變更沖次、兩段間隔時間均可以自定義設置。

5）力矩和加速度可控?？梢园凑罩付ǖ乃俣茸兓€實現電動機軸的轉動。比如上快下慢、上慢下快、雙速間抽等[9]。

6）柔性啟動。在啟動和運行時對電網無沖擊。

7）遠程通訊和控制。能夠實現實時傳輸設備的運行參數并可以實現遠程控制。

8）環(huán)境適應能力強。溫度適應-40～55 ℃，濕度20%～85%（不得結露），風沙、干旱、高溫等惡劣氣候和環(huán)境都能適應[10]。

3 現場應用及效果評價

從2008 年起，伺服控制系統(tǒng)陸續(xù)在中海油、中石化、延長油田、煤層氣推廣使用，至今已使用超過1 800 臺。技術、產品和服務能力已經發(fā)展成熟。2017 年9 月起，在第十采油廠安裝了3 臺異步伺服控制器，并先后在5 口抽油機井上進行了試驗，試驗井的基本情況見表1。

表1 試驗井基本情況

第十采油廠委托長慶節(jié)能監(jiān)測站對安裝異步伺服控制器的5 口井分別進行了節(jié)能效果測試。測試不僅針對異步伺服運行的抽油機與電動機驅動抽油機在同等沖次下的能耗情況，還對改變沖次后抽油機能耗情況也做了測試和研究。

3.1 平衡度對節(jié)能率的影響

測試的2 口井平衡度和節(jié)能率的對應關系。工頻狀態(tài)時，電流法可以作為平衡度的評價標準之一。在異步伺服控制器的控制下，電動機反拖時的電流大小被控制器的控制方法改變，不能通過觀察上下行電流的變化反應出平衡度的情況。故而測試設備平衡度時僅針對工頻狀態(tài)下采用了功率法數據作為評價標準。

從異步伺服控制器的節(jié)能原理及實測數據表明，無論是否平衡，設備都有一定的節(jié)電效果。在同工況下，該設備的節(jié)能率與平衡度呈相關性，平衡度差的井節(jié)電效果相對更好，平衡度與節(jié)能率對應關系見圖2。

圖2 平衡度與節(jié)能率對應關系

3.2 沖次對節(jié)能率的影響

采用異步伺服控制方式，在抽油機沖次不變的情況下即取得了良好的節(jié)能效果，相同沖次下節(jié)能效果見表2，平均有功節(jié)電率10.31%，且具有通過改變電動機頻率進一步降低沖次的能力。需要特別指出的是，由于在異步伺服控制下，曲柄有自由加速的現象，對應電動機有被拖動而加速的現象，因此，控制器的最高頻率雖然沒有達到50 Hz，但抽油機沖次并沒有因此減小。

當減小輸出的最高頻率時，抽油機的沖次也相應減小，從而進一步取得更好的節(jié)能效果。不同沖次下的節(jié)能效果見表3。

表2 相同沖次下節(jié)能效果

表3 不同沖次下的節(jié)能效果

3.3 電動機功率影響

電動機大小對異步伺服控制系統(tǒng)的節(jié)電效果沒有明顯的影響，但對異步伺服控制系統(tǒng)的價格有較為明顯的影響。采用電動機的功率越大，控制器的成本就越高，電動機功率與節(jié)電率對應關系見表4。

表4 電動機功率與節(jié)電率對應關系

4 節(jié)能效果

在關125-163 井現場展示了沖次為0.9 次/min 的功能，在這種運行狀態(tài)下，平均每小時耗電0.69 kWh，比工頻狀態(tài)下節(jié)電55.48%。且設備超低速運行時，慢下快上，在提液時轉速增加，有效防止了泵的漏失，提高了泵的充滿程度。超低速運行可以更好地適應長慶油田超低滲的地質狀況。目前正在推行的油井間開，人工間開員工勞動強度大，自動間開存在安全隱患，且間開井在停止供液期間，由于液體流動停滯，容易造成因沉沙或結蠟等原因卡泵或堵塞管道等問題。通過超低沖次功能，可以實現小液量、不斷流，卡泵和堵塞管道的可能性大幅降低。

第十采油廠目前抽油機的負載率約為60%，機采效率約為21.5%，其中不平衡抽油機為362 臺，平均日耗電量54.1 kWh。如果將362 臺不平衡抽油機全部進行異步伺服改造，按照不改變沖次時不平衡抽油機平均節(jié)電率11.78%計算，每年將節(jié)電84×104kWh，折合人民幣50.4 萬元；按照降低沖次后的平均節(jié)能率25% 計算， 每年將節(jié)電178.7×104kWh，折合人民幣107.2 萬元。

5 結論與認識

綜上所述，平衡度對異步伺服控制器的節(jié)能率影響很大，在不改變工況的情況下，平衡度越差，節(jié)電效果越好；改變沖次對異步伺服控制器的節(jié)能率影響很大，沖次降低越多，節(jié)電效果越好；電動機功率對異步伺服控制器的節(jié)能率沒有影響，無論電動機大小，異步伺服控制器都可以有良好的節(jié)電效果；超低沖次功能能夠起到良好的節(jié)電效果，可以在一定程度上替代現有的間開措施。