游梁式抽油機(jī)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)綜述*

王義龍, 田春雨, 張連成, 董偉杰, 劉 磊, 趙海森

(1. 北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192；2. 大慶石油管理局有限公司 技術(shù)監(jiān)督中心，黑龍江 大慶 163453；3. 北華航天工業(yè)學(xué)院 電子與控制工程學(xué)院，河北 廊坊 065000；4. 華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

0 引 言

油田對(duì)電能需求量較大，其中機(jī)采系統(tǒng)消耗電能約占采用成本的1/3。抽油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，由于受負(fù)載工況與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等因素的影響，運(yùn)行功率在一個(gè)周期內(nèi)包含重載、輕載、發(fā)電等多種工況，也使得能量處于電能、動(dòng)能、機(jī)械能之間多向轉(zhuǎn)換的復(fù)雜運(yùn)行狀態(tài)。形成上述狀況的主要原因是抽油機(jī)上行需要輸出很大驅(qū)動(dòng)力矩，用以提升抽油桿，而下行過(guò)程中依靠抽油桿自身重力即可克服系統(tǒng)摩擦等阻力矩，此時(shí)電機(jī)逐漸進(jìn)入空載或發(fā)電狀態(tài)[1]。上述復(fù)雜運(yùn)行狀態(tài)及多級(jí)機(jī)械結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)效率顯著降低，而構(gòu)成抽油機(jī)系統(tǒng)的電源側(cè)、驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)、負(fù)荷側(cè)3個(gè)部分是決定系統(tǒng)效率的主要環(huán)節(jié)。

對(duì)此類(lèi)負(fù)荷，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的節(jié)能方法研究。針對(duì)電源側(cè)，采用電網(wǎng)優(yōu)化重構(gòu)、高效變壓器、電容補(bǔ)償以及新能源供電等節(jié)能方法[2]。針對(duì)負(fù)荷側(cè)，通過(guò)調(diào)整運(yùn)行周期等方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能，例如：變頻調(diào)速、多速電機(jī)、磁阻電機(jī)、間抽等[1，3]。驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)主要包括電機(jī)和機(jī)械部分，此環(huán)節(jié)的節(jié)能方法是學(xué)者較為主要的研究部分，相應(yīng)的節(jié)能技術(shù)所涵蓋范圍較為廣泛，節(jié)能技術(shù)也較為成熟。針對(duì)該環(huán)節(jié)的節(jié)能技術(shù)，主要特點(diǎn)是在不改變抽油機(jī)運(yùn)行周期，即保持系統(tǒng)沖程、沖次等參數(shù)基本不變的前提下，通過(guò)提高電機(jī)及機(jī)械環(huán)節(jié)運(yùn)行效率達(dá)到節(jié)能目的。由于不改變運(yùn)行參數(shù)，因此可有效保證采油量。其中應(yīng)用最為廣泛的節(jié)能技術(shù)包括調(diào)壓節(jié)能、節(jié)能電機(jī)、斷續(xù)供電、平衡調(diào)節(jié)等[1，3]。

本文對(duì)游梁式抽油機(jī)電機(jī)(BPM)系統(tǒng)能耗特點(diǎn)和節(jié)能技術(shù)原理進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)應(yīng)用比較廣泛的調(diào)壓、節(jié)能電機(jī)、斷續(xù)供電節(jié)能技術(shù)特點(diǎn)與現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)研究。最后在對(duì)比不同節(jié)能技術(shù)優(yōu)點(diǎn)以及局限性的基礎(chǔ)上，針對(duì)應(yīng)用范圍更廣的節(jié)能技術(shù)研究方向，提出了系統(tǒng)能效精細(xì)化分析、多種節(jié)能技術(shù)融合、區(qū)域性節(jié)能綜合改造等建議。

1 抽油機(jī)系統(tǒng)能耗特點(diǎn)及節(jié)能技術(shù)分類(lèi)

1.1 抽油機(jī)系統(tǒng)工況特性

圖1是實(shí)測(cè)抽油機(jī)功率曲線。其平均功率為8.4 kW，而功率的變化范圍達(dá)到了26.9 kW。原因是抽油機(jī)在采油過(guò)程中，上行時(shí)需要輸出很大的驅(qū)動(dòng)力矩，用以提升抽油桿。在下行過(guò)程中，依靠抽油桿自身重力，只要很小甚至不需要驅(qū)動(dòng)力矩即可克服系統(tǒng)摩擦等阻力矩，此時(shí)電機(jī)逐漸進(jìn)入空載或發(fā)電狀態(tài)。上下行時(shí)負(fù)荷差異較大，同時(shí)結(jié)構(gòu)限制平衡裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)與負(fù)荷的有效中和，由此導(dǎo)致抽油機(jī)系統(tǒng)的負(fù)荷變化范圍較大。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)一臺(tái)22 kW BPM負(fù)荷曲線

1.2 抽油機(jī)系統(tǒng)能耗特點(diǎn)

抽油機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成可分為如圖2所示3個(gè)部分，即變壓器及供電線路組成的電源側(cè),電機(jī)及井架機(jī)械機(jī)構(gòu)組成的驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié),以及抽油桿、液體與泵組成的負(fù)荷側(cè)。

圖2 抽油機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

由上述分析及圖2可知，為了滿(mǎn)足穩(wěn)定運(yùn)行需求，變壓器、線路以及抽油機(jī)電機(jī)的裝機(jī)容量不低于系統(tǒng)運(yùn)行最大工況，因此產(chǎn)生“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象，降低了系統(tǒng)效率。驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)的減速箱及四連桿機(jī)構(gòu)能夠保障抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，但皮帶及不同機(jī)械環(huán)節(jié)均會(huì)產(chǎn)生摩擦損耗，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)效率。抽油桿及井下設(shè)備同樣會(huì)產(chǎn)生摩擦損耗，同時(shí)受產(chǎn)液量及動(dòng)液面等因素影響，使得提升單位液體的效率較低。

上述3個(gè)主要環(huán)節(jié)產(chǎn)生損耗的共同作用，最終導(dǎo)致系統(tǒng)整體效率較低。

1.3 節(jié)能技術(shù)分類(lèi)

根據(jù)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)特點(diǎn)，相應(yīng)的節(jié)能技術(shù)也有很大差別。針對(duì)電源側(cè)，可采用電網(wǎng)優(yōu)化重構(gòu)、高效變壓器、電容補(bǔ)償以及新能源供電等。針對(duì)負(fù)荷需求側(cè)，通?？筛鶕?jù)井下參數(shù)對(duì)抽油機(jī)運(yùn)行周期等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能，而上述參數(shù)的調(diào)整通常是通過(guò)電機(jī)或控制器實(shí)現(xiàn)，例如變頻調(diào)速、多速電機(jī)、磁阻電機(jī)、間抽等。

驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)主要包括電機(jī)和機(jī)械部分，這個(gè)環(huán)節(jié)的節(jié)能方法是相關(guān)學(xué)者研究的最主要部分，相應(yīng)的節(jié)能技術(shù)所涵蓋的范圍最為廣泛，技術(shù)也較成熟。針對(duì)此環(huán)節(jié)的節(jié)能技術(shù)通常是在不改變抽油機(jī)運(yùn)行參數(shù)的前提下，通過(guò)提高電機(jī)及機(jī)械環(huán)節(jié)運(yùn)行效率達(dá)到節(jié)能目的。應(yīng)用較為廣泛的節(jié)能技術(shù)包括調(diào)壓節(jié)能、節(jié)能電機(jī)、斷續(xù)供電等。本文主要針對(duì)此環(huán)節(jié)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)論述。

2 調(diào)壓節(jié)能技術(shù)

調(diào)壓節(jié)能是在基本不改變抽油機(jī)運(yùn)行參數(shù)的條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入電壓實(shí)現(xiàn)損耗的降低，進(jìn)而提高系統(tǒng)效率。按照不同的節(jié)能方法與實(shí)現(xiàn)方式，可分為控制調(diào)壓、繞組結(jié)構(gòu)調(diào)壓、多技術(shù)融合調(diào)壓等方面。

2.1 控制調(diào)壓

控制調(diào)壓節(jié)能是以電機(jī)模型、運(yùn)行參數(shù)，以及工況特點(diǎn)為基本依據(jù)，利用機(jī)械或電子開(kāi)關(guān)等設(shè)備，改變供電電源電壓幅值，實(shí)現(xiàn)能耗的降低，達(dá)到節(jié)能的目的?？刂普{(diào)壓在實(shí)現(xiàn)方法上可分為模型控制法和運(yùn)行參數(shù)控制法。

2.1.1 模型控制法

在建立電機(jī)模型的基礎(chǔ)上，以電機(jī)損耗最小為目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)限定條件得到電機(jī)最小損耗與電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)電機(jī)損耗最優(yōu)控制。文獻(xiàn)[3]針對(duì)周期性變工況負(fù)荷電機(jī)，以總損耗最小為目標(biāo)，提出了新的不變損耗與可變損耗劃分方法，推導(dǎo)出電機(jī)最小總損耗與電壓對(duì)應(yīng)曲線關(guān)系，通過(guò)可測(cè)量實(shí)現(xiàn)多種工況條件下電壓的最優(yōu)控制。文獻(xiàn)[4] 針對(duì)交流感應(yīng)電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩和變負(fù)載條件下的最佳電壓調(diào)節(jié)方法，分析了定子銅、鐵損耗與定子電壓關(guān)系，負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化對(duì)轉(zhuǎn)子銅耗影響，揭示電機(jī)的總損耗和最佳電壓關(guān)系。文獻(xiàn)[5]在對(duì)電機(jī)運(yùn)行效率與負(fù)載工況之間關(guān)系詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了最佳調(diào)壓系數(shù)與負(fù)載及電機(jī)參數(shù)間的數(shù)值關(guān)系，以此為依據(jù)提出了調(diào)壓節(jié)能策略。文獻(xiàn)[6]建立了可計(jì)及鐵耗的電機(jī)系統(tǒng)能耗實(shí)用模型，分析得出油田常見(jiàn)典型負(fù)荷條件下電機(jī)各項(xiàng)損耗的分布情況，揭示了損耗的變化規(guī)律，并通過(guò)電壓自動(dòng)跟蹤方式對(duì)所提出的理論進(jìn)行了驗(yàn)證。

有些學(xué)者提出了以其他運(yùn)行參數(shù)為目標(biāo)函數(shù)的控制方法，其中文獻(xiàn)[7]針對(duì)抽油機(jī)電機(jī)輕載與重載交替運(yùn)行工況，建立了功率因數(shù)與調(diào)壓導(dǎo)通角以及滯留角之間的約束模型，在此基礎(chǔ)上提出了自滑動(dòng)調(diào)壓控制方法。

2.1.2 運(yùn)行參數(shù)控制法

運(yùn)行參數(shù)控制法是指根據(jù)電機(jī)輸入電壓、電流數(shù)值，以直接或者通過(guò)相關(guān)計(jì)算得到的參數(shù)為依據(jù)，進(jìn)行調(diào)壓控制的方法。通常依據(jù)的參數(shù)包括定子電流、有功功率、功率因數(shù)等。

(1) 最小定子電流法。電機(jī)驅(qū)動(dòng)不同工況負(fù)載時(shí)，均可實(shí)現(xiàn)最高效率的運(yùn)行，此時(shí)定子電流可認(rèn)為是最優(yōu)電流。在最優(yōu)定子電流運(yùn)行狀態(tài)下電機(jī)的損耗最小，而輸入電壓與電流一一對(duì)應(yīng)，因此通過(guò)調(diào)壓即可實(shí)現(xiàn)。但是電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，需要準(zhǔn)確知道電機(jī)參數(shù)，才可計(jì)算出最高運(yùn)行效率所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)電流值，工程應(yīng)用性受到限制。針對(duì)上述問(wèn)題，很多學(xué)者采用最小電流法來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)節(jié)能目標(biāo)，包括最小電流跟蹤技術(shù)、自動(dòng)尋優(yōu)控制等[8-9]。該方法可使電機(jī)運(yùn)行在最高效率附近，節(jié)能效果雖然與最優(yōu)電流比效率有所降低，但其控制簡(jiǎn)單工程應(yīng)用型較強(qiáng)。

(2) 輸入功率法。當(dāng)抽油機(jī)負(fù)荷需求不變時(shí)，在不改變抽油機(jī)運(yùn)行周期等參數(shù)的前提下，系統(tǒng)機(jī)械效率基本不變，電機(jī)的輸出功率保持不變。此時(shí)通過(guò)以電機(jī)輸入端的有功功率最小為目標(biāo)函數(shù)，即可間接實(shí)現(xiàn)電機(jī)損耗優(yōu)化控制，達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)采用電機(jī)最小輸入功率為目標(biāo)的控制方法時(shí)，異步電機(jī)的損耗會(huì)處于近似最小的工作狀態(tài)，相應(yīng)的效率也處在最優(yōu)的運(yùn)行工況下，此時(shí)節(jié)能效果最為明顯[10]。

(3) 功率因數(shù)優(yōu)化法。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行效率較低時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓幅值或者利用晶閘管控制電壓的觸發(fā)角，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流中的無(wú)功分量占比、相位的控制，進(jìn)而可改善電機(jī)的功率因數(shù)，提高運(yùn)行效率。文獻(xiàn)[11]在抽油機(jī)系統(tǒng)調(diào)壓節(jié)能機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出通過(guò)續(xù)流角來(lái)改善電機(jī)的運(yùn)行效率的方法，進(jìn)而減少電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率。文獻(xiàn)[12]中對(duì)調(diào)壓節(jié)能方法以及軟起動(dòng)原理進(jìn)行了詳細(xì)分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合多種節(jié)能方法技術(shù)特點(diǎn)分析后，提出了交流異步電機(jī)基于恒功率因數(shù)的節(jié)能控制策略。

2.2 繞組結(jié)構(gòu)調(diào)壓

繞組結(jié)構(gòu)調(diào)壓是指，通過(guò)設(shè)計(jì)或者調(diào)整電機(jī)繞組不同結(jié)構(gòu)形式，改變電源作用到每相繞組上的等效電壓值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)壓控制，達(dá)到節(jié)能目的。油田系統(tǒng)中常用的結(jié)構(gòu)調(diào)壓方法包括星角轉(zhuǎn)換、延邊三角形等。

2.2.1 星角轉(zhuǎn)換

星角轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)方式是在電機(jī)輸入電源不變的條件下，通過(guò)改變電機(jī)繞組的星接與角接的連接方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)繞組供電電壓的調(diào)整。由圖3接線原理可知，當(dāng)電機(jī)角接時(shí)，每相繞組施加的電壓為線電壓，即繞組電壓為380 V；當(dāng)電機(jī)星接時(shí)，每相繞組施加的電壓為相電壓，即繞組電壓為220 V。轉(zhuǎn)換的基本原則是，當(dāng)驅(qū)動(dòng)功率小于其額定功率1/3時(shí)，電機(jī)就可以進(jìn)入星接狀態(tài)，此時(shí)繞組上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)降低，可以較大程度地降低鐵耗、實(shí)現(xiàn)節(jié)能[13]。

圖3 星角轉(zhuǎn)換接線原理圖

2.2.2 延邊三角形電機(jī)

延邊三角形電機(jī)定子繞組的一部分接成角接，另一部分直接與電源連接。這種電機(jī)通?？煽醋魇怯?部分線圈組成，或者理解成在3組線圈增加抽頭形式，接線方式如圖4所示。從接線圖中可以看出，繞組通?？梢?個(gè)接線端子，通過(guò)對(duì)不同接線端子的組合可實(shí)現(xiàn)角接、星接延邊三角形接法，星接時(shí)繞組上等效電壓最低、角接最高，延邊三角形接線處于兩者之間。當(dāng)BPM處于不同運(yùn)行工況時(shí)，采用不同的接線方式，達(dá)到節(jié)能目的。

相關(guān)學(xué)者對(duì)此也做了很多研究。文獻(xiàn)[14]研究了延邊三角形電機(jī)定子相繞組中抽頭接線基本形式，在此基礎(chǔ)上計(jì)算延邊三角形起動(dòng)的相電壓大小與中間抽頭位置的關(guān)系。文獻(xiàn)[15] 針對(duì)延邊三角形異步電機(jī)，分析了降壓起動(dòng)過(guò)程中電壓、電流與轉(zhuǎn)矩的比例關(guān)系，在此基礎(chǔ)上對(duì)定子繞組中間抽頭位置的選擇以及降低傾邊磁場(chǎng)提出了相應(yīng)的計(jì)算方法。

圖4 延邊三角形接線原理圖

2.3 多技術(shù)融合調(diào)壓

控制與結(jié)構(gòu)調(diào)壓節(jié)能方法，雖然實(shí)現(xiàn)方式有所不同，但本質(zhì)是對(duì)電機(jī)輸入或繞組的等效電源進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)節(jié)能，節(jié)能方法均屬于單一調(diào)壓節(jié)能這一范疇。隨著負(fù)荷工況日趨復(fù)雜、節(jié)能空間逐漸降低，單一節(jié)能方法所取得的節(jié)能效果也逐漸降低，為了能夠保證或提高節(jié)能效果，很多學(xué)者把多種節(jié)能技術(shù)與調(diào)壓相結(jié)合，達(dá)到提升節(jié)能效果的目的。

文獻(xiàn)[16] 針對(duì)抽油機(jī)電機(jī)系統(tǒng)調(diào)壓及平衡調(diào)節(jié)節(jié)能方法，系統(tǒng)分析了固定調(diào)壓限制因素以及常規(guī)平衡調(diào)節(jié)對(duì)BPM系統(tǒng)能效影響的變換規(guī)律與節(jié)能效果，提出了一種平衡實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)與調(diào)壓相結(jié)合的綜合節(jié)能方法。先通過(guò)平衡可調(diào)裝置動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，降低系統(tǒng)峰值功率，在此基礎(chǔ)上，以滿(mǎn)足系統(tǒng)最大負(fù)載需求為限制條件，以最小能耗為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)多級(jí)調(diào)壓節(jié)能最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行效率的提升，節(jié)電效果可達(dá)到15%以上。

文獻(xiàn)[17] 針對(duì)變頻供電條件，提出了變頻-調(diào)壓分段協(xié)調(diào)運(yùn)行的綜合節(jié)能方法。該方法在不同運(yùn)行區(qū)間，根據(jù)工況特點(diǎn)給出最優(yōu)的供電模式，主要包括采用變頻控制懸點(diǎn)加速度，降低載荷中的慣性力矩，并在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)負(fù)荷工況狀況的基礎(chǔ)上，采取跟蹤調(diào)壓提高電機(jī)運(yùn)行效率。

2.4 調(diào)壓節(jié)能效果綜合分析

上述調(diào)壓方法中，控制調(diào)壓可適用于不同工況條件，適應(yīng)性及應(yīng)用范圍最為廣泛，平均節(jié)能效果通常在5%～10%，但是此種控制方法常需要對(duì)電源進(jìn)行波形控制，增加了諧波污染，同時(shí)控制實(shí)現(xiàn)上相對(duì)較為復(fù)雜。繞組結(jié)構(gòu)調(diào)壓，控制簡(jiǎn)單，設(shè)備使用于壽命長(zhǎng)，但適應(yīng)范圍有一定的限制，例如星角轉(zhuǎn)換適用于輕載工況，且波動(dòng)負(fù)荷對(duì)其有較大的限制作用，繞組結(jié)構(gòu)調(diào)壓平均節(jié)能效果為5%左右。多技術(shù)融合調(diào)壓，節(jié)能效果最為突出，通?？蛇_(dá)10%以上，但此種方法技術(shù)實(shí)現(xiàn)上較為復(fù)雜，對(duì)多領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)要求較高。隨著節(jié)能需求的逐步提高，以及人工智能、大數(shù)據(jù)、新能源等技術(shù)的深入融合，多技術(shù)融合調(diào)壓節(jié)能將是未來(lái)研究的重點(diǎn)方向之一。

3 非調(diào)參型節(jié)能電機(jī)

非調(diào)參型節(jié)能電機(jī)是指在不改變抽油機(jī)周期等運(yùn)行參數(shù)的前提下，通過(guò)使用可適應(yīng)抽油機(jī)系統(tǒng)負(fù)荷工況特點(diǎn)且本身效率較高的電機(jī)，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率提升。常用的節(jié)能電機(jī)包括永磁同步電機(jī)(PMSM)、高轉(zhuǎn)差電機(jī)、高效電機(jī)等。

3.1 PMSM

BPM所使用的永磁電機(jī)通常具有自起動(dòng)功能。電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永磁體作為磁極，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有銅耗與鐵耗，電機(jī)處于同步運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行功率因數(shù)可以接近1，這使得定子繞組及供電線路中的電流沒(méi)有無(wú)功分量，可有效降低繞組及線路上的銅耗。與異步電機(jī)相比，永磁電機(jī)的功率密度較高，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，可一定程度上降低裝機(jī)容量，上述3個(gè)方面是電機(jī)效率提升的主要途徑。但油田供電線路較長(zhǎng)，電能質(zhì)量波動(dòng)較大，例如線路首段電壓可達(dá)到420 V，而線路末端可降低至360 V，永磁電機(jī)對(duì)電源質(zhì)量要求較高，當(dāng)供電電源與電機(jī)額定電壓幅值相差較多時(shí)，會(huì)使得空載電流急劇增加，使得電機(jī)發(fā)熱較大，增加了失磁概率。同時(shí)，永磁電機(jī)機(jī)械特性較強(qiáng)，起動(dòng)過(guò)程對(duì)抽油機(jī)機(jī)械環(huán)節(jié)沖擊較大，一定程度上降低了機(jī)械環(huán)節(jié)使用壽命。

相關(guān)學(xué)者對(duì)永磁電機(jī)節(jié)能方法做了很多研究。文獻(xiàn)[18]針對(duì)油田負(fù)荷特點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)、應(yīng)用條件等方面，對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的高轉(zhuǎn)矩密度、低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)進(jìn)行了對(duì)比分析，為實(shí)現(xiàn)高性能低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)提供參考。文獻(xiàn)[19] 針對(duì)抽油機(jī)負(fù)載率不高于額定負(fù)載30%的工況特點(diǎn)，提出了高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高效率以及擴(kuò)大經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍的PMSM應(yīng)用措施，并制訂了電機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)22 kW替代用37 kW感應(yīng)電機(jī)，達(dá)到節(jié)能目的。 文獻(xiàn)[20] 采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的無(wú)阻尼繞組內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子代替鼠籠式轉(zhuǎn)子，以及采用無(wú)阻尼繞組的同步磁阻轉(zhuǎn)子代替同步電機(jī)中的轉(zhuǎn)子，可進(jìn)一步降低電機(jī)的損耗，實(shí)現(xiàn)效率的提升。文獻(xiàn)[21]在針對(duì)非晶金屬定子鐵心等材料的PMSM的空載鐵損、負(fù)載損耗和熱性能分析的基礎(chǔ)上，研究了變頻器供電條件下電機(jī)的空載鐵損、額定負(fù)載損耗和熱特性的分布，最后對(duì)樣機(jī)的損耗和熱性能進(jìn)行了測(cè)試。

3.2 高轉(zhuǎn)差電機(jī)

3.2.1 節(jié)能原理

高轉(zhuǎn)差電機(jī)結(jié)構(gòu)形式上和普通異步電機(jī)基本相同，工作原理是通過(guò)增加轉(zhuǎn)子電阻值來(lái)提高電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟特性，表達(dá)式如下：

(1)

式中:RX為轉(zhuǎn)子上增加的電阻值;R0、s0為正常異步電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻值及額定功率下的轉(zhuǎn)差率，可認(rèn)為是常數(shù)。由式(1)可知，隨著RX增加電機(jī)轉(zhuǎn)差率也會(huì)增加，電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低。

高轉(zhuǎn)差電機(jī)在BPM系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，其節(jié)能機(jī)理可總結(jié)如下[22-23]。

(1) 降低裝機(jī)容量。普通的高轉(zhuǎn)差電機(jī)的轉(zhuǎn)差率可達(dá)15%以上。由電機(jī)工作原理可知，電機(jī)運(yùn)行功率P與電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩T及轉(zhuǎn)速n成正比，表達(dá)式如下：

P=K0Tn

(2)

BPM屬于勢(shì)能負(fù)荷，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩除了重力部分作用外還有加速力矩，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)差率較高時(shí)，速度變化率降低使加速力矩降低，進(jìn)而抽油機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩T降低，同時(shí)抽油機(jī)轉(zhuǎn)速n會(huì)降低，最終實(shí)現(xiàn)功率降低。因此，可以用較小容量的超高轉(zhuǎn)差率電機(jī)取代目前較大容量的普通電機(jī)做到合理的功率匹配, 從而減少其固定損耗實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

(2) 降低平均功率。超高轉(zhuǎn)差率電機(jī)在轉(zhuǎn)差率較高運(yùn)行時(shí)其轉(zhuǎn)速有所下降，在滿(mǎn)足運(yùn)行參數(shù)的前提下，運(yùn)行周期上升使抽油機(jī)一個(gè)沖次內(nèi)的平均功率降低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

(3) 降低發(fā)電工況。通過(guò)降低電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速，可減少抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)的發(fā)電狀態(tài), 進(jìn)而降低能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的損耗。

3.2.2 技術(shù)研究現(xiàn)狀

相關(guān)學(xué)者針對(duì)高轉(zhuǎn)差電機(jī)在油田應(yīng)用做了相關(guān)的研究。文獻(xiàn)[24]對(duì)比分析了高轉(zhuǎn)差電機(jī)與異步電機(jī)的機(jī)械特性與外特性特點(diǎn)，通過(guò)理論與試驗(yàn)結(jié)合的方式驗(yàn)證了高轉(zhuǎn)差電機(jī)可提高抽油機(jī)運(yùn)行效率。文獻(xiàn)[25]在研究舉升工藝技術(shù)工作條件、適應(yīng)性、技術(shù)特性、油藏自然特性的基礎(chǔ)上，建立了包括系統(tǒng)舉升工藝技術(shù)在內(nèi)的綜合優(yōu)選評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，分析了在日產(chǎn)液量增加的條件下，選用高轉(zhuǎn)差電機(jī)與普通配電箱相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)方式的經(jīng)濟(jì)合理性。

3.3 高效電機(jī)

中國(guó)國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的高效電機(jī)主要是YE3系列電機(jī)。此類(lèi)電機(jī)通過(guò)從設(shè)計(jì)、材料和工藝上改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)提高運(yùn)行效率，其中在鐵磁材料上采用了高導(dǎo)磁低損耗冷軋無(wú)取向硅鋼片；設(shè)計(jì)上采用更加優(yōu)化合理的定子、轉(zhuǎn)子槽數(shù)，改善風(fēng)扇參數(shù)以及正弦繞組等措施降低損耗，其最終效率可提高2%～8%。

有關(guān)學(xué)者針對(duì)油田工況特點(diǎn)，在上述高效電機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)更加適合采油系統(tǒng)的高效率、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較軟的機(jī)械特性的節(jié)能電機(jī)，此種設(shè)計(jì)可有效適應(yīng)抽油機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大以及不均勻沖擊載荷的工況特性[26-27]。

3.4 節(jié)能電機(jī)效果綜合分析

上述節(jié)能電機(jī)，永磁電機(jī)可適用于不同工況條件的BPM，平均節(jié)能效果通?？蛇_(dá)7%以上，但生產(chǎn)成本較高，同時(shí)退磁現(xiàn)象較為嚴(yán)重等原因限制了其應(yīng)用范圍。高轉(zhuǎn)差電機(jī)針對(duì)不同工況其節(jié)能效果差異較大，對(duì)于負(fù)載較重工況節(jié)能效果明顯，但輕載時(shí)節(jié)能效果較低，因此，其適用范圍受到很大限制。高效電機(jī)由于其起動(dòng)性能良好以及效率高的特點(diǎn)，使其適用范圍最為廣泛，針對(duì)恒定負(fù)荷節(jié)能優(yōu)勢(shì)更加明顯，而B(niǎo)PM變工況運(yùn)行條件使其節(jié)能效果明顯降低。

4 斷續(xù)供電節(jié)能技術(shù)

斷續(xù)供電的節(jié)能理念于2002年前后由華北電力大學(xué)節(jié)能研究團(tuán)隊(duì)提出。工作原理是根據(jù)抽油機(jī)負(fù)荷特性，在電機(jī)處于空載及發(fā)電工況不需要輸出功率時(shí)，實(shí)施斷電操作,此時(shí)電機(jī)、變壓器及線損均為零。最大限度提高系統(tǒng)節(jié)能潛力；當(dāng)需要電機(jī)輸出功率時(shí)，采用了快速軟投入技術(shù)接通電源，可有效避免沖擊電流對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的沖擊。

4.1 節(jié)能原理

圖5是BPM一個(gè)周期的功率曲線示意圖。由圖5可知，運(yùn)行B區(qū)域時(shí)負(fù)載逐漸降低進(jìn)入發(fā)電工況，此時(shí)切斷電源，靠外部機(jī)械慣性及勢(shì)能可實(shí)現(xiàn)繼續(xù)運(yùn)行，在運(yùn)行到C區(qū)域需要驅(qū)動(dòng)力矩時(shí)，采用“快速軟投入”技術(shù)重新投入電源，由此完成了一次“斷續(xù)供電”節(jié)能控制[28]。

圖5 BPM斷電和通電控制過(guò)程

由斷續(xù)供電節(jié)能原理可知，影響斷續(xù)供電節(jié)能效果的因素主要包含如下方面[1]。

(1) 斷電時(shí)間。如果有效地延長(zhǎng)斷電時(shí)間，相應(yīng)的節(jié)能效果也會(huì)顯著提升，發(fā)電區(qū)域是機(jī)械勢(shì)能釋放為動(dòng)能的過(guò)程，增加的動(dòng)能可使BPM不需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)即可進(jìn)入電動(dòng)區(qū)域，因此，充分利用空載以及發(fā)電區(qū)域勢(shì)能，能夠提升斷電持續(xù)的時(shí)間。

(2) 投入過(guò)程沖擊功率。電機(jī)從“斷電”到“通電”過(guò)程，假如直接導(dǎo)通電源，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流并增加損耗。通過(guò)相應(yīng)的控制策略，有效降低電源投入過(guò)程的沖擊電流，可減少損耗、提高節(jié)能效果，同時(shí)降低機(jī)械沖擊。

4.2 節(jié)能效果

采用斷續(xù)供電節(jié)能技術(shù)，采油系統(tǒng)中大部分的BPM均能保證節(jié)電率達(dá)到10%以上，數(shù)據(jù)如表1所示[1]。其中,在大慶某廠共18口井測(cè)試平均的有功節(jié)電率18.20%、綜合節(jié)電率21.40%。而在整條線路上安裝使用，通過(guò)變電所收費(fèi)電表測(cè)量，節(jié)電率23.18%。在大港、廊坊等油田長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)試的節(jié)電率均在15.00%以上。

表1 37 kW斷續(xù)供電節(jié)能效果

4.3 關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

斷續(xù)供電節(jié)能技術(shù)是針對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)研發(fā)的新的節(jié)能方法，其中的“斷電”與“通電”是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了保證抽油機(jī)系統(tǒng)在“斷電”到“通電”控制過(guò)程中，抽油機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，且轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)在合理范圍內(nèi)，則斷電時(shí)刻準(zhǔn)確選擇、通電時(shí)刻判定與通電過(guò)程中實(shí)現(xiàn)電源無(wú)沖擊控制是研究的重點(diǎn)[29-30]。

4.3.1 “斷電”環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀

“斷電時(shí)刻”準(zhǔn)確判定是保證系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提，也是后續(xù)能夠?qū)崿F(xiàn)“無(wú)沖擊”快速通電控制的基礎(chǔ)。針對(duì)此環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)，文獻(xiàn)[31]在充分考慮驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)振動(dòng)、井下液面等影響因素的條件下，提出一種基于模糊控制的斷電時(shí)刻判定方法及相應(yīng)控制策略。文獻(xiàn)[32]在對(duì)負(fù)荷曲線變化規(guī)律、電動(dòng)及發(fā)電工況特性參數(shù)準(zhǔn)確辨識(shí)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以斷電后轉(zhuǎn)速變化值為輸入變量、功率累加值為輸出變量的模糊控制器，實(shí)現(xiàn)斷電時(shí)刻準(zhǔn)確判定，通過(guò)實(shí)際測(cè)試獲得了良好的節(jié)能效果，實(shí)測(cè)效果如圖6所示。由圖6可知，選取功率處于輕載且下降運(yùn)行狀態(tài)作為斷電時(shí)刻，斷電后抽油機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速變化范圍滿(mǎn)足設(shè)定要求。該方法控制簡(jiǎn)單、工程應(yīng)用性較強(qiáng)，但對(duì)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)依賴(lài)性較高。

圖6 電機(jī)功率及轉(zhuǎn)速變化曲線

為了更加準(zhǔn)確有效地控制斷電后轉(zhuǎn)速變化范圍，文獻(xiàn)[33]提出了一種斷電后抽油機(jī)轉(zhuǎn)速預(yù)判的斷電時(shí)刻準(zhǔn)確判定方法。該方法研究了平衡力矩與曲柄位置、懸點(diǎn)、泵載荷與位移之間的關(guān)系，揭示不同供電形勢(shì)下負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨曲柄旋轉(zhuǎn)角度的變化規(guī)律,并建立由曲柄角度表示的負(fù)載轉(zhuǎn)矩方程，進(jìn)一步通過(guò)電氣量預(yù)先計(jì)算出斷電后負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì),實(shí)現(xiàn)了最佳斷電時(shí)刻準(zhǔn)確判定，實(shí)測(cè)效果如圖7所示。由圖7可知，通過(guò)轉(zhuǎn)速預(yù)判的方法，斷電時(shí)刻選取更加合理，同時(shí)可有效控制轉(zhuǎn)速變化范圍，提高系統(tǒng)安全性，但此種方法對(duì)系統(tǒng)參數(shù)要求較高。

圖7 電機(jī)功率及轉(zhuǎn)速變化曲線[33]

4.3.2 “投入”環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀

針對(duì)“投入”環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)，文獻(xiàn)[34]提出在0.1 s內(nèi)完成電源接入的快速投入控制策略，在建立αβ0坐標(biāo)系降階不對(duì)稱(chēng)瞬態(tài)模型和空間向量復(fù)數(shù)變量的對(duì)稱(chēng)瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，揭示了斷電后再次通電時(shí)沖擊電流與觸發(fā)角度之間的關(guān)系，快速計(jì)算出初始觸發(fā)角序列值，最終得到完整的軟投入控制策略。文獻(xiàn)[35]根據(jù)電機(jī)斷電后定、轉(zhuǎn)子運(yùn)行特性，求得定子殘壓解析表達(dá)式，并研究了定子殘壓條件下的電源切換策略和切換時(shí)刻判定方法。文獻(xiàn)[36]在無(wú)殘壓條件下，在感應(yīng)電機(jī)非對(duì)稱(chēng)-對(duì)稱(chēng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出基于真空斷路器與晶閘管閥并聯(lián)方式的電源快速投入感應(yīng)電機(jī)參數(shù)解析方法。

在BPM系統(tǒng)控制應(yīng)用方面，文獻(xiàn)[37]在分析電源投入時(shí)刻負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以及動(dòng)態(tài)變化對(duì)沖擊電流的影響的基礎(chǔ)上，提出可計(jì)及負(fù)載動(dòng)態(tài)變化的快速軟投入控制方法。該方法依據(jù)不同轉(zhuǎn)速條件下投入電源時(shí)沖擊電流特點(diǎn)，并結(jié)合負(fù)載轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)特性確定最佳電源投入時(shí)刻，在上述基礎(chǔ)上，以全波投入時(shí)產(chǎn)生可滿(mǎn)足負(fù)載需求轉(zhuǎn)矩為目的，以投入初始時(shí)刻電流幅值為限定條件，制訂電源軟投入觸發(fā)角的確定方法，最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)產(chǎn)生與負(fù)載相匹配的轉(zhuǎn)矩，達(dá)到了有效限制沖擊電流的目的，效果對(duì)比如圖8所示[37]。由圖8可知，當(dāng)控制策略不滿(mǎn)足要求時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，而選擇合理的投入時(shí)刻和控制方法可有效降低沖擊電流，實(shí)現(xiàn)電流的“無(wú)沖擊”控制。

圖8 觸發(fā)過(guò)程沖擊電流

5 節(jié)能技術(shù)綜合對(duì)比分析

節(jié)能技術(shù)是否能夠得到推廣應(yīng)用，受到很多因素影響。其中節(jié)能效果是基礎(chǔ)，但適用范圍、技術(shù)難度，以及是否對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響也是推廣應(yīng)用的主要限制條件。對(duì)上述節(jié)能技術(shù)綜合對(duì)比如表2所示。表2中節(jié)能效果數(shù)據(jù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、文獻(xiàn)檢索，以及大慶節(jié)能監(jiān)測(cè)中心的抽油機(jī)檢測(cè)平臺(tái)獲得，同時(shí)對(duì)不同工況條件下的節(jié)能數(shù)據(jù)取平均值作為能效依據(jù)。適用范圍以某油田節(jié)能技術(shù)推廣數(shù)量作為依據(jù)；技術(shù)難度以及系統(tǒng)影響則以理論分析及實(shí)測(cè)為依據(jù)。上述的對(duì)比，在某種程度上不夠全面，但對(duì)技術(shù)本身特點(diǎn)的比較分析具有一定借鑒作用。

表2 節(jié)能技術(shù)綜合對(duì)比

6 結(jié) 語(yǔ)

節(jié)能是降低能源消耗的重要手段之一，針對(duì)不同能源消耗形式與工況特點(diǎn)，相應(yīng)的節(jié)能方法與實(shí)現(xiàn)方式必然有一定的差異。由于油田機(jī)采系統(tǒng)處于復(fù)雜運(yùn)行工況，對(duì)該用電領(lǐng)域研發(fā)了多種節(jié)能技術(shù)。隨著節(jié)能降耗需求的日益強(qiáng)烈以及節(jié)能空間的不斷縮小，以往的節(jié)能方法無(wú)法滿(mǎn)足節(jié)能需求，因此，研究出更加有效提升節(jié)能效果及應(yīng)用范圍的新節(jié)能技術(shù)，成為節(jié)能領(lǐng)域研究者面臨的挑戰(zhàn)。針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)以下研究方向可在一定程度上取得節(jié)能效果的提升。

(1) 系統(tǒng)能效機(jī)理精細(xì)化分析。建立勢(shì)能系統(tǒng)各環(huán)節(jié)高精度仿真模型，以此為基礎(chǔ)通過(guò)對(duì)BPM系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的能耗構(gòu)成機(jī)理的深入精細(xì)化分析，揭示出不同環(huán)節(jié)運(yùn)行工況變化對(duì)本身及其他環(huán)節(jié)能效影響的變化規(guī)律及節(jié)能潛力，為后續(xù)研究新節(jié)能技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。

(2) 多技術(shù)融合。針對(duì)單一節(jié)能技術(shù)效果無(wú)法滿(mǎn)足節(jié)能需求的問(wèn)題，根據(jù)不同節(jié)能方法的節(jié)能機(jī)理與技術(shù)特點(diǎn)，采用多技術(shù)融合的方式，發(fā)揮單一方法作用的同時(shí)，補(bǔ)償或優(yōu)化其他節(jié)能方法的效果，最終有效提升系統(tǒng)節(jié)能效果。例如：斷續(xù)供電、平衡調(diào)節(jié)、調(diào)壓相結(jié)合，其中平衡調(diào)節(jié)可降低峰值功率及功率的變化趨勢(shì)，為提升調(diào)壓節(jié)能效果奠定基礎(chǔ)，而調(diào)壓節(jié)能可提升斷續(xù)供電控制中通電區(qū)域的節(jié)能效果，同時(shí)3種節(jié)能技術(shù)均可使用電子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)控制，成本增加可控。

(3) 區(qū)域性節(jié)能綜合改造。抽油機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜多變，針對(duì)單井工況特點(diǎn)進(jìn)行的針對(duì)性的節(jié)能控制，雖然可較高程度提高節(jié)能效果，但應(yīng)用范圍有一定的限制，同時(shí)投入較大而導(dǎo)致回收期較長(zhǎng)，使得工程應(yīng)用上有一定的局限性。針對(duì)上述問(wèn)題，可采用對(duì)某一條線供電線路或一個(gè)區(qū)域進(jìn)行節(jié)能綜合改造，通過(guò)對(duì)所有單井負(fù)荷功率特性的歸納，劃分出理論節(jié)能空間，針對(duì)不同節(jié)能效果，以綜合節(jié)能效果為目標(biāo)，以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為限定條件，采用多技術(shù)融合節(jié)能方法為主體，其他技術(shù)輔助結(jié)合的綜合改造方案，達(dá)到預(yù)期的目的。