节能自动控制系统优化

抽油机节能自动控制系统优化
一、抽油机节能自动控制系统优化背景
1.1国际环境
当前全球经济发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源和环境。

能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来了相当大的问题。

因此，不论在国内还是国外，尤其是在工业生产中，节能问题已经受到越来越多的重视。

而油田作为耗能大户其节能受到全世界的关注。

1.2国内环境
我国油田在原油生产过程中，油气集输、含油污水处理、油田注水、水源井供水等主要生产工艺大部分是通过各种泵、空气压缩机来完成，其用电量占油田总用电量的70%～80%。

在油田开采过程中，通常电动机的装机功率较大：一是泵装置的设计能力按最大化的抽取要求选择，设计及选型阶段即存在能力过剩；二是随着油井由浅入深的抽取，抽油机装置的能力过剩随流体总量的减少而加大，产量越趋降低，泵装置水泵和空气压缩机大都处于电动机驱动恒速运转状态，由于设计时考虑到油田发展的需要，选型时一般选择容量较大的电动机，使得大多数油井泵都存在大马拉小车的现象；另一方面，随着油田开发程度的加深，注采、集输等要求的不断调整，很大一部分油、水泵处于变工况状态下运行，因此在运行中普遍存在着离心泵节流、往复泵打回流的现象，造成
电能损失巨大。

三是为保证抽油机的启动要求；四是保证在运行时有足够的过载能力。

而电动机正常工作时常以轻载运行，因此造成抽油机与电动机的荷载匹配不合理，在运行中处于大功率带小负载的情况。

电机在抽油机上行时处于有功工作状态，下行时处于发电状态，大部分时间出现“大马拉小车”现象，这种现象普遍存在于油田开采中。

特别是在油田的开发后期，机采井的产量急剧下降，抽油机在工作中存在着不同程度的“泵空”和“干抽”情况，工作效率低，能耗大，无效行程增加。

1.3孤岛采油厂现状
孤岛油田进入开发中后期，部分区块由于含水上升，开发难度加大，设备老化，机械采油耗电量增加。

电动机的平均负荷率仅为20%一30%，部分电动机负荷率更低，造成能源的极大浪费。

在采油成本中，抽油机电费占30%左右，年耗电量占油田总耗电量的20%-30%，为油田电耗的第二位，仅次于注水。

如果一台抽油机节省一点能源消耗，则整个经济效益是相当惊人的。

面对现状，孤岛采油厂加强内部用电管理，优化抽油机倒发电与节能自动控制系统，电量消耗得到有效控制。

1.4游梁式抽油机运行技术分析
游梁式抽油机，性能稳定，运行可靠，维修方便，是我厂普遍采用的抽油机。

虽然其抽汲速度慢，却一直是世界上使用的主要抽油设备，在我国的老油田，使用率在80%以上。

孤岛采油厂有稠油井900多口，生产井750口左右。

游梁式抽油机使用率达99%。

游梁式抽油机电机轴扭矩与时间的变化曲线如图1所示。

从图1中可以看出，游梁式抽油机的负荷是周期性波动变化的，同时在每个周期中存在负扭矩。

由于所用电机的输出功率是稳定的，两者的工作特性不匹配，造成了每个抽油周期中存在“倒发电”和“大马拉小车”现象。

“倒发电”的危害是十分大的，除了造成一部分电能损失外，还会极大的影响电网侧的功率因数。

根据计算和测试，可造成20%左右的电能损耗，使功率因数降低0.4左右；再加上“大马拉小车”造成的电能损耗及功率因数的降低、正常的机械摩擦损耗及电机发热损耗，游梁式抽油机的效率不超过30%，电网侧的功率因数只有0.3左右。

根据电业部门出台的新法规，电机电网侧的功率因数达不到0.85就按一定比例罚款，这对使用地方电网供电的油田和油区来说，提高抽油机电网侧的功率因数的问题迫在眉睫。

二、自动控制系统的总体设计方案
图2所示为本系统的组成原理框图，本系统采用功能单元模块化结构，其总体方案主要包括交流电源控制变流器单元；不平衡馈能自动处
理单元；检测与保护控制单元；单片机系统控制单元。

单片机系统控制模块作为整个系统的智能化控制核心，连续不断地通过检测与保护控制单元模块，对抽油机电机的电流、功率因数和功率等参数进行实时监测，进而对电机的工作状态进行综合判断，并通过电源控制功率模块，对电机绕组的工作电压实施平滑控制。

本方案采用16位高档单片机完成电机工作电压的寻优控制算法，使抽油机电机总是运行于功率因数和效率最佳的工作状态。

采用先进的高频PWM控制技术，使系统具有供电波形好（电机电流很接近正弦波），谐波含量少等优点。

本系统将倒发电能量吸收与处理单元模块和电机并行连接，通过单片机系统控制模块、检测与保护控制单元模块的配合，完成倒发电吸收单元与抽油机电机之间的检测反馈、切换和协调控制，并通过闭环系统的自动调节达到功率的跟踪平衡效果。

三、电路与软件设计
该控制系统采用逆变式PWM变流器实现，其主电路如图3所示。

电路中的自关断器件采用了IGBT，具有较快的响应速度，适合跟踪负荷调节输出电压，解决“大马拉小车”的问题。

给主电路的直流侧电容并联一个由IGBT与能耗电阻0R组成的泵升电压限制电路。

当抽油机处于倒发电状态时，控制电路使0V开关导通，把电动机反馈的电能消耗在0R上。

0R用套管式散热器制作，并套在井口附近的油管上，给管内原油加热，减少管壁结腊。

该变流器主电路的整流电路采用二极管整流，使输入电压与输入电流相比没有相位滞后，即使输入电流中含有谐波成分，输入回路总的功率因数能接近于1。

逆变电路采用PWM控制方式，可以大大减少输出电压中所含谐波，使输出电流接近正弦波，而对输出回路的基波功率因数没有影响。

因此，采用该逆变式PWM变流器，可以使电网侧的功率因数得到大大提高。

逆变式PWM变流器的控制电路选用了Intel公司的16位高档单片机
80C196MC作为控制核心，该单片机配有专门的PWM波形发生器，特别适合于逆变器控制。

检测与保护电路对系统的电压、电流、温度等参数进行检测并通知单片机，经单片机运算处理后，向相应的控制元件发出指令，从而对系统进行过压、过流、欠压、再生反馈电压、过温及轻载与过载保护。

该变流器控制软件框图如图4，
电机运行以后，各检测电路所检测的信号经A/D转换成为数字信号，通过查表与计算处理得出波形发生器所需的控制参数，从而控制波形发
生器产生相应的PWM波。

四、FACTS中控制器的使用
4.1静止无功补偿器SVC
静止无功补偿器的典型代表是晶闸管投切的电容器(TSC)，和晶闸管控制的电抗器(TCR)。

实际应用中，将TCR与并联电容器配合使用，根据投切电容器的元件不同，可分为TCR与固定电容器配合使用的静止无功补偿器，和TCR与断路器投切电容器配合使用的补偿器，以及TCR 与TSC配合使用的无功补偿器。

这些组合而成的SVC的重要特性是它能连续调节补偿装置的无功功率，进行动态补偿，使补偿点的电压接近维持不变，但SVC只能补偿系统的电压，其无功输出与补偿点节点电压的平方成正比，当电压降低时其补偿作用会减弱。

SVC的主要作用是电压控制，采用适当的控制方式后，SVC也可以有阻尼系统功率振荡和增加稳定性等作用。

目前，SVC技术已经比较成熟，国外从60年代就已经开始应用SVC，七十年代末开始用于输电系统的电压控制，经过几十年的发展，不仅将静止无功补偿器，用于输电系统的电压控制，也用于配电系统的补偿和控制，还可用于电力终端用户的无功补偿一电压控制。

4.2静止同步补偿器STATCOM
静止同步补偿器也可以称为ASVG——有源静止无功发生器。

它的基本原理是将自换相桥式电路直接或者通过电抗器并联到电网上，适当调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，就可以使该电路吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿。

ASVG根据直流侧采用的
电容和电感两种不同的储能元件，可以分为电压型和电流型。

它可以通过控制其容性或感性电流，与系统交换无功，在任何系统电压的情况下，都能输出额定的无功功率，与SVC相比，在系统故障的情况下静止同步补偿器维持系统电压，提高系统暂态稳定性和抑制系统振荡的作用较明显；近二十几年，静止同步补偿器受到了国内外专家学者的普遍重视，日本从1980年研制出第一台20Mvar的强迫自换相的桥式ASVG，1991年又投入了一台±80Mvar的ASVG成功地运行在154kV的输电线路上，而美国于1995年投入了一台±100Mvar的ASVG。

我国清华大学和河南电力局共同研制成功了一台±20Mvar的静止无功补偿器，并于1999年在河南洛阳朝阳变电所投入运行。

4.3并联蓄能系统
并联蓄能装置包括蓄电池蓄能系统(BESS)和超导磁能存储器(SMES)等，是采用并联式电压源换流器的能量存储系统，其换流器可通过快速调节向交流系统供给或吸收电能。

将SMES用于两机系统的频率控制，可以有效地抑制两系统之间的频率偏移。

也可将SMES与静止移相器相结合用于互联系统负荷频率控制。

但这种超导储能装置不但技术要求高，而且在目前的条件下投资费用比较昂贵，大量投入系统运行还存在一定的困难。

4.4晶闸管控制的串联电容器TCSC
晶闸管控制的串联电容器的模块主要由串联电容和含有电抗、晶闸管开关的并联回路组成，通过可控硅控制可以灵活、连续地改变补偿容
量，达到快速响应的效果。

TCSC在改善电力系统性能方面有很多优点，将TCSC用于高压输电系统，可发挥现有系统的潜力，提高功率传输极限，灵活地调节系统潮流，增加系统阻尼作用，是保证超高压电网安全稳定运行的重要措施。

TCSC与其它FACTS装置相比，潮流控制功能比较简单，受到了GE、ABB和Siemens等大公司的关注和重视。

在美国有三处已经安装了TCSC，并且运行良好，瑞典、巴西等国家也相继将TCSC投入实际运行。

我国在伊敏电厂至齐齐哈尔地区的冯屯变电站的双回输电线上采用串联补偿技术。

4.5静止同步串联补偿器SSSC
静止同步串联补偿器是以DC/AC逆变器为基本结构，它的基本原理是向线路注入一个与电压相差90的可控电压，以快速控制线路的有效阻抗、从而进行有效地系统控制。

它在系统中的作用有些类似于TCSC，但是，它控制潮流的能力远大于单方向减少线路阻抗功能的TCSC控制器，并且谐波含量小。

4.6晶闸管控制的移相变压器TCPST
晶闸管控制的移相变压器是利用可控硅开关控制移相角度从而改变线路两侧的移相角来控制潮流的大小或方向。

移相器的发展比较早，早在三十年代第一台移相器已经在美国投入运行，随着电力电子技术的发展，70年代开始各国电力专家将晶闸管与移相器相结合开始进行晶闸管控制的移相器TCPST的研究。

经研究表明TCPST具有提高联络线传输
潮流，抑制小干扰，提高系统稳定性，阻尼功率振荡，母线电压控制，规约联络线潮流等功能，晶闸管控制的移相器的控制速度快，相角阶梯可以很小，甚至达到无级调节，但晶闸管控制的移相器有一个缺点，它本身需要消耗无功功率，运行中一般需要与无功补偿装置联合使用，并且谐波的含量较高，因此对电能质量有一定的影响
4.7可转换式静止补偿器CSC
可转换式静止补偿器是近两年推出的FACTS控制器的一种新产品，它实际上是将基于同步变流器的串并联补偿器技术，通过在结构上实现柔性化，使其可以更加灵活地应对不断变化的电力系统要求。

CSC是由2台电压源换流器、一个与输电线并联的变压器和2个串联的变压器组成。

通过开关的转换实现补偿器的不同运行工作状态，根据控制目标的不同，CSC可以提供静止同步无功补偿器，静止同步串联无功补偿器、统一潮流控制器和线间潮流控制器4种基本控制方式。

4.8统一潮流控制器UPFC
UPFC的概念是由美国西屋科技中心的L.Gyugyi于1992年首次推出的，统一潮流控制器是一种从原有潮流控制装置的基础上发展而来的新型潮流控制装置，它由一个并联的换流器和一个串联的换流器通过公共侧的电容耦合而成，仅仅通过控制量的变化就可以分别实现并联补偿、串联补偿或移相器的功能，也可以将三者的功能结合使用。

通过不同控制策略的设计，UPFC不但可以用于控制母线电压。

线路潮流、提高系统动态和暂态稳定性，抑制系统振荡，而且可以快速地转换工作状态以适
应系统的紧急状态的需要。

它被认为是FACTS家族中最有代表性、功能最强大和技术最复杂的成员。

五、抽油机的节能措施
5.1.采用节电驱动设备
5.1.1双功率电动机
石油大学与胜利油田合作进行了双功率电动机试验，其定子绕组是两个可以并联运行的绕组。

电控箱中有一个电流检测电路，能够实现绕组的自动切换。

启动时两个绕组分时投入，根据负荷的变化以不同的绕组运行。

如果抽汲工况变化，负荷较大时，两个绕组都投入。

这样，电动机在各种状况下都有较高的负荷率，运行效率和功率因数都有较大的提高，原有电动机的改造成本也低。

5.1.2蓄能器
蓄能器用来增加抽油机的转动惯量，充分发挥其动能的均衡作用，具体做法是，在电机启动时，首先带动合适转动惯量的飞轮旋转，达到额定转速后，再闭合离合器，启动抽油机，只要电动机的额定功率大于抽油机的平均功率，抽油机就能平稳工作，因而可降低电动机容量，实现节能降耗。

5.1.3调压节能装置
可控硅调压是根据电动机的负荷率的变化不断调节电动机的输入端电压，使电动机运行在最佳状态。

抽油机运行时，电动机的输入电压随着抽油机井的载荷变化自行调节，即载荷小时电动机的输入电压下降，
载荷大时电动机的输入电压升高。

减少了电动机的损耗，提高了电动机的运行效率。

5.2．改进结构型式
5.2．1偏置式抽油机
这种抽油机曲柄平衡重中心线与曲柄对称中心线偏离一个角度，所以人们称它为偏置型游梁式抽油机（简称偏置机）。

偏置机是对四连杆机构实现悬点运动和动力特性的优化，实现“慢提快放”，改变抽油机曲柄轴净扭矩曲线的形状和大小，使其波动平坦，减小负扭矩，从而小抽油机的周期载荷系数，提高电动机的工作效率，达到节能目的。

5.2．2前置式抽油机
前置式抽油机多为重型长冲程抽油机。

目前生产的12型，16型两种机型已在油田广泛使用。

从工作扭矩曲线分析，前置式抽油机平衡后的理论净扭矩曲线是一条比较均匀的接近水平的直线，因此其运行平衡，减速箱齿轮基本无反向负荷，连杆游梁不易疲劳损坏，机械磨损小，噪声比常规式抽油机低，整机寿命长。

5.3.改进平衡方式
5.3.1平衡相位角
前面提到的偏置抽油机的曲柄平衡块重心与曲柄轴中心连线和曲柄销中心与曲柄轴中心连线之间构成一定的夹角，称为平衡相位角。

这个角的存在主要是因为改变参数后抽油机的与下死点对应的曲柄位置比常规机“滞后”了一个相位角。

为了平衡扭矩与载荷扭矩对齐，偏置了这
样一个角度。

很多其它结构的抽油机也应用了这一平衡方法。

5.3.2气动平衡
气动平衡重量轻，比机械平衡轻40%，平衡效果好，比机械平衡转矩下降10%，节能效果显著，比机械平衡能耗降低28.15%，但气动平衡的可靠性较差。

而且受到各方面条件的制约，未能大量推广使用。

5.3.3游梁偏置复合平衡
它是基于常规机结构不变，在游梁尾部增加固定偏置平衡装置，其重心相对游梁下偏一个角度。

5.3.4变矩平衡
所谓变矩平衡原理：即抽油机尾梁平衡配重的力臂是变化的，因此平衡扭矩也是变化的。

在上冲程抽油载荷最大时，其平衡重的力臂也最大，下冲程时平衡块储能以克服负扭矩。

从而提高了电机的功率利用率。

这种动态平衡节能技术解决的是抽油载荷正常生产时的周期变化。

5.4.采用节能监控装置
5.4.1多功能程控装置
目前抽油机用电动机功率因数仅为0.3-0.6左右，有的甚至更低，造成电网无功损失；大庆石油学院研制的DSC系列抽油机多功能程控装置较好地解决了这一问题。

DSC多功能程控装置有程控启动、断电保护、过载保护、短路及无功补偿等多项功能。

这可视为是我国抽油机无人监控，由定时巡查走向自动监控的起步。

5.4.2间抽定时控制装置
该装置可以根据油井工况和抽油工艺要求伺服调整电动机启动和停
机时间，选定开停次数，实现对油井间抽定时控制，从而避免抽空现象，对于老油井，低产井无疑是一绝好的节能手段和增产措施，该装置由华北采研所研制，颇受油田欢迎。

5.5.采用节能传动元件
5.5.1窄 V带传动
近二十年来，窄V带在美、英、德、日、俄罗斯等国早已普及推广。

目前在国内石油矿场己大量应用。

窄V带具有独特的结构承载能力，比普通三角带高30%-50%；传动效率高，可达96%-98%，比普通三角带高4.5%（普通三角带传动效率只有92%-93%）；工作寿命长可达
2000-3000小时，比普通三角带长3-7倍。

5.5.2同步带传动
1986年大庆石油学院与桦林橡胶总厂开始研制同步带。

同步带传动效率高，可达99%。

传动比准确，永不打滑。

是一种很有技术前途的新型传动带。

同步带问世于70年代，日本应用最早。

1985年美国率先首次应用于抽油机，获得令人满意的效果。

同步带比普通三角带节能14.4%。

5.6.研究开发新型节能抽油机
5.6.1链条式无游梁抽油机
利高原公司生产的长冲程、低冲次、ROTAFLEX链条驱动的皮带式抽油机是一种全新结构的高性能有杆抽油设备，该机可以满足下泵深抽、大泵排液、长冲程低冲次抽稠采油工艺中高含水期油井加深泵挂大排量
的需要，是一种高效节能经济性好的机种。

5.6.2液压抽油机
液压抽油机由液力、电动、气动元件结合组成。

其特点是：（1）冲程长度和速度可以任意调节，液控元件可通过仪表随时显示抽油杆的瞬时负荷，示功仪亦可预先装在抽油机上，以观察全机运行情况；（2）上下冲程的速度可以单独控制，使抽油杆受力比较平稳、合理；（3）轻便。

5.6.3数控抽油机
数控抽油机是近几年研制的机电一体化的抽油装置，数控抽油机采用了全数控电力拖动系统，综合了微电子技术、电力电子技术、过程控制技术，是按照机电一体化的设计思想精心制作的电子机械装置。

5.6.4宽带长冲程抽油机
该机仍然采用普通异步交流电动机作为驱动力并采用了和游梁方式等，实现抽油机节能的目的，减小能源消耗，降低采油成本，已经有一大批新型的抽油机相继投入油田开采。

在开发新产品的同时，也要对现有抽油机实施节能技术改造，不断地推广节能技术。

而在研究节能抽油机的同时，系统的可靠性、经济性和使用维护方便是生产厂家和用户所特别关注的问题。

研究经济、可靠耐用、节能效果显著的抽油机有着广阔的发展前景，具有重大的潜在工程应用背景，科式抽油机相似的皮带传动及减速器作减速装置，是当前油田机械装备研究的热点方向之一。

5.6.5摩擦式抽油机
摩擦式抽油机通过电动机正反转驱动减速器带动摩擦轮转动，无触点换向开关换向，使抽油杆上下运动来抽汲油液。

钢丝绳一端通过悬绳器
与光杆连接，另一端与配重箱连接，根据示功图载荷的大小可调整配重铁，以调节摩擦轮两端的拉力差，做到精确平衡。

5.6.6直线电机抽油机
由于游梁式抽油机是利用电能转换为旋转运动，减速后再经四连杆机构转换为直线往复运动，其传动系统能量损失高，加上旋转特性造成启动扭矩大，系统效率一般不超过30%。

六、游梁式抽油机节能技术今后的发展
1．在市场经济条件下，油田开发必须以经济效益为中心。

因此，依靠技术，节能降耗，挖潜增效是油田开发永恒的主题，也是节能型抽油机发展的方向。

2．节能型抽油机的发展，必须使其技术性和经济性相统一，而且技术性永远是第一位的。

即必须在保证其正常运行的前提下，才能提高节能效果和整机的经济性。

过分强调其节能效果和整机价格低廉，将会牺牲整机的安全性和使用寿命，故障率也高，不利于生产。

3．节能型抽油机的发展，经国内各油田十几年的探索证明：近期内必须立足于在常规游梁式抽油机的基础上求发展，继承其优点，克服其缺点，才能形成适于野外生产的节能新型机。

4．节能型抽油机的设计制造必须尽可能的使抽油机平衡曲线和抽油机载荷曲线的变化规律相抵消，而且和不同阶段的抽油机载荷相适应。

5．智能化抽油机是节能型抽油机的发展趋势和方向。

6．评价新型高效节能抽油机的综合标准应该遵守的原则。

即：结构简单，可靠耐用，操作简便，维护容易，节能效果好，调参方便及整机
价格低。

七、实验室测试结果
变流器实验室实验结果如下：
在实验室中，用示波器绘出了几条变流器输出波形，它们是两路线电压波形、电机电流波形（轻载）、电机电流波形（加载）及Y 接电机两路相电压波形。

由于篇幅的限制，这里只给出有代表性的两个波形图，即图5。

图中可以看出，不论轻载还是加载，经PWM 控制方式控制的变流器输出电流波形，正弦波形保持良好，特别是没有换流电压尖峰，对器件耐压要求较低，使变流器具有了较高的可靠性。

八、现场实验测试结果
变流器样机完成以后，到现场进行了实验。

实验地点是胜利油田孤岛采油厂孤四管理区，所用抽油机电机的额定功率与电压：55kW/380V ；实测电网电压：410V 测试中，采取了测试负载率 与调压系数k 的方法。

负载率是电机的实际输出功率与额定功率的比；调压系数是电机的实际输入电压与380V 电压的比。

实测负载率与调压系数数据如表1所示，图
6。