油田抽油机节能方式综述及解决方案

前言
目前，抽油机是应用最普遍的石油开采机械之一，也是油田耗电大户，其用电量约占油田总用电量的40％，且总体效率很低，据调查一般在30％左右。

油田抽油机负载是独具特点的时变负载：有动、静负载特性之分。

起动初始状态要求拖动电机的起动力矩是抽油机实际负载的3－4倍，甚至更大，起动力矩是抽油机选配电机的第一要素。

当起动力矩适用则负载功率必然匹配不佳，运行负载功率都远小于电机的额定功率，即所谓“大马拉小车”现象。

过剩的抽油能力令抽油机的无功抽取时间增加，造成油井开采的电费成本居高不下，能源浪费十分严重。

可见抽油机的节能潜力非常可观。

1抽油机井节能技术
抽油机-深井泵举升本身是一种耗能的举升工艺，一旦在测试中发现能耗为负，则一定说明测试中存在问题。

但是由于抽油机-深井泵举升过程中由于悬点载荷呈周期性变化，悬点载荷的不均匀性，必然导致在其能耗过程中表现出了一定的特殊性。

正是由于这种特殊性，也为抽油机井实施节能降耗带来了一定的前提条件，也可以肯定地说，目前抽油机井节能措施无不针对其能耗的特殊性而采取的。

抽油机节能技术主要是围绕上述三个特点实现的。

从目前应用的抽油机井节能技术主要有三大类：
一是提高功率因数类。

如电容补偿、永磁电机。

二是提高电机功率利用率类。

如高转差电机、多速电机、Y-Δ转换控制箱。

三是改善电机消耗功率不均衡类。

主要是液力藕合器、离合器等。

1.1其它节能技术
其它节能技术中主要介绍液力藕合器、离合器的工作原理。

其实这两种技术的工作原理相同，就是改善电机消耗功率不均衡。

不同点是前者安装在电机的输出端，后者安装在抽油机减速箱的输入端，取代大带轮。

其原理是电机启动后，液力藕合器或离合器开始积蓄能量，当积蓄的能量足够大时，便释放能量帮助电机带动了抽油机减速箱齿轮旋转，实现了电机的软起动。

在抽油机动转过程中，当负荷小时，液力藕合器或离合器积蓄能量，当负荷大时释放能量，从而使电机工作在负荷较为均衡的工作条件之下，从而实现节能。

1.2抽油机的电能消耗的特点
由于抽油机井悬点载荷呈周期性变化，因而从能耗上也会呈现出周期性变化的特点。

一般情况下，我们认为抽油机井的悬点载荷在一定的时间内有着很好的重复性，因而从能耗角度也会很直接地反映其重复性。

抽油机在运转过程中其能量消耗主要有以下几个方面的特点：
一是其能耗的不均衡性。

主要表现在上下冲程过程能量消耗
不等，而且受到平衡状况的影响。

平衡效果好，其不均衡性表现差，平衡越不好，不均衡衡性表现越强，甚至会出现上下冲程能耗比值为负；
二是表现为平均有功功率与电机额定功率比值较低的特点。

这主要是由于抽油在启动时需要较大的转矩，因而在选择抽油机电机时，额定功率选择较大。

从近十年的现场测试能耗数据的结果表明，电机的功率利用率一般的三分之一以下，最高的也不会超过45%。

三是表现为常规电机的低功率因数特点。

从现场测试的结果表明，抽油机在使用常规的Y系列电机时，其功率因数一般在0.4以下，最高的也没有超过0.75。

产生的原因有二：一是电机的利用率较低；二是感性负荷表现强烈。

1.3 各种节能方式的优缺点
优势：
实现了运行负载与电机输出负载间的合理匹配，确保了电机始终在高效区运行。

节电效果显著：由于双绕组电机具有三个功率可供选用，有功节电率在19％左右。

自动控制实现的过程简单，运行平稳可靠。

目前直接针对抽油机节电的技术主要有两大类：
1）开发不同类型的抽油机节能电机。

如高转差率电机、三相永磁同步电机、高起动转矩双定子结构电机和电磁调速电机（变极
双速电机）等。

2）使用节能配电箱。

如定子绕组Y-△转换调压、电容器动态无功补偿及静态无功补偿、可控硅调压（软起动）、液态电阻软起动、变频电源等
1.3.1 抽油机节能电机
1）超高转差率电机
从电机学原理可知，电机堵转转矩与两个因素有关，一是电机的功率；二是电机的转差率。

电机功率越大，其堵转转矩越大；电机的转差率越大，其堵转转矩越大。

从节能角度理解应当选择转差率高的电机。

因为高转差电机可大幅降低抽油机电机机座号，从而实现节能的目的。

从中区西部节能试验区的应用效果，使用高质量的高转差电机平均实现节能12%以上。

但有一个重要的因素限制，即转差率越高，电机工作发热越严重，因而解决电机工作高温问题是实现高转差的主要因素。

从目前应用的高转差电机均为引进技术。

一是美国技术；二是俄罗斯技术。

两种技术特别有着本质的区别。

美国技术着重从解决电机的散热问题角度来提高电机的转差率。

使用的材料是铝合金材料，它利用铝合金材料的散热能力强的特点提高电机的转差率。

CJT系列高转差电机是这一技术的代表产品。

俄罗斯技术着重从提高电机绕组的绝缘等级，实现提高电机搞高温性提高电机的转差率。

YCCH系列电机是这一技术的代表
产品。

据称在美国油井上已安装几万台，节电率达20％。

但在我国实测结果是超高转差电机只在轻载30％以下负载时有节电效果。

主要原因：首先要使用超高转差率电机节电，对象必须是振动载荷大的井（美国油井的振动载荷惯性载荷都大）。

其次要求电机的转差率要适度，不可过高，一般说各大油田，电机转差率的最大值不能超过6％－8％。

近些年，采油工艺的发展日趋于大冲程、低冲次，这种工艺本身就能最大限度的减少惯性负荷和振动负荷，因此超高转差率电机的应用范围被大大缩小。

2）多速电机
该电机主要是通过设计电机定子，在定子中安装两套不同极对数的定子绕组，并结合高转差电机的设计特点，通过提高定子绕组的绝缘等级，使电机实现了双速、双功率、高转差的技术特点，从而实现了节能的效果。

从节能机理上主要有两点，一是具备的高转差的节能技术特点；二是具备了通过自动调整接线方式实现双速（双功率）运行的特点，揭晓高了电机的功率利用率。

3）永磁同步电机
这是一种油田所用的新型抽油机电机，其效率和功率因素都优于一般异步电机。

电机本身是硬特性，运行中无转差。

如TYC250M-6，功率37KW，功率因素0.983，额定电流60.6A，堵转电流12.7倍，堵转力矩3.69倍。

缺点：和高转差电机比，没有消减振动载荷的能力，反而会增大对减速箱齿轮的冲击损
害；釹铁硼材料本身的居里点只在120℃－130℃，一旦电机烧毁就会失磁；此外转子级数已定，不能适用调参的需要实行变极调速。

4）双定子电机
双定子电机是一种新型的异步电机，做成两部分定子。

起动时集两部分的合力矩以加大起动力矩，待起动完成时则切除一部，留下另一部分运行，以适应低负荷时以低功率来匹配达到节电的目的。

缺点电机的制造难度和成本增加。

5）电磁调速电机
在抽油机既定的负荷条件下，通过仅改变其绕组结构完成6/8极，8/12极的单绕组非倍极改型设计，使其运行在原井抽油机上，其负荷率从20％－80％变化，电机都运行在高效区，这种方式既适用于旧电机改造，又适用于新电机生产。

2 节能电机的更新原则
2．1拖动装置节能的理论基础
抽油机井节能在理论上所追求的是“抽油机井的机械特性与电机特性间的合理匹配”，真正实现抽油机井运行负载与电机输出负载间的合理匹配。

2．2更新节能电机的原则
选择电机时要综合考虑，首先确定电机的类型，然后再选择电机的功率，最后需要考虑的是投资问题。

(1)节能电机类型的选择
抽油机用节能电机有高转差率电机、超高转差率电机和永磁电机三种类型。

如何选择合适的电机类型，涉及到各种类型的电机在游梁式抽油机上工作特性的评价。

应对抽油机井实际工况进行具体分析后，才能做出较为合理的选择。

从以下几个方面进行比较：
①电机启动性能，要求其配套的拖动装置应具备较软的启动特性。

②电机的过载性能力
③电机的节电效果
3节能配电箱的种类及节能原理
节能配电箱主流产品有三大类：一类是实现自动调节电机工作电压的配电箱；另一类是实现自动调整电机接线方式变换电机工作功率；第三类是实现自动无功补偿的配电箱；第四类是实现电容器动态无功补偿及静态无功补偿的配电箱。

3.1自动调节电机工作电压的原理
该技术是利用跟踪电路，对电机的工作电流进行跟踪，并通过控制电路，控制主回路中的大功率晶体管（即可控硅）的导通角，实现大电流工作时导通角大，工作电压大；小电流工作时导通角小，工作电压小。

由此实现电机在不同负荷条件下工作电压的自动控制，从而实现节能的目的。

该技术的特点是，实现电机工作电压的自动控制，并且直接受到接线方式的限制。

其节能效果也受到产品的一个重要指标的
限制，即：动态响应时间。

动态响应时间越短，跟踪调压的效果就越好，节能效果就越显著。

但该技术在应用过程中有可以出现涌流现象，即有可能产生高压二次谐波，从而对供电电网造成污染。

3.2自动调整电机接线方式
电机正常运行时，定子绕组为△接法，起动时为Y接法。

起动时绕组电压为电网额定线电压的根号3分之一，起动电压降低，待接近额定转速时，定子绕组转换为△接法，控制简单，但每次起动需要人工干预，减压范围一定，用途受到限制。

该技术节能的基本原理是Y-Δ转换，即使抽油机在启动过程中采用Δ形接法，实现以较大的功率进行启动；而在抽油机正常运转时采用Y形接法，实现以较小的功率运行。

最初的Y-Δ转换采用的用时间继电器的控制方法，即时间继电器在电机启动（或抽油机启动）过程中对时间进行控制，待一段时间完成后自动转换到Y 形接法。

Y-Δ转换的额定功率比为1：1.732。

目前采用的控制方法与自动调节电机工作电压的原理基本相似，它是通过对电流的跟踪，待启动过程结束（这段时间电机的启动电流较正常工作电流高于2倍左右），工作电流恢复时，利用控制技术直接将电机接线方式进行变换。

3.3.1自动无功补偿
自动无功补偿技术也称为动态无功补偿技术。

该技术是将电
容补偿技术与自动调节电机工作电压技术两者结合的产物。

该技术是利用跟踪电路，对电机的工作电流进行跟踪，并通过控制电路，控制并联回路中的大功率晶体管（即可控硅）的导通角，实现大电流工作时导通角小，电容补偿量大；大电流工作时导通角小，电容补偿量小。

由此实现电机在不同负荷条件下电容补偿量的自动控制，从而实现节能的目的。

3.3.2电容器动态无功补偿及静态无功补偿
无功补偿的基本原理是把容性负荷与感性负荷并联在同一个系统中,能量在两者之间互相转换。

这样,感性负荷所需的无功功率可由容性负荷提供,功率因数也提高了,也减小了无功损耗,还可以提高设备的有功功力、降低功率损耗和电能损失。

根据以上的想法,如果在高压电动机起动时并联适当电容值的电容器,同样可以补偿起动时的无功功率,减小起动电压降。

其工作原理是:在启动高压电动机时,同时将电容器投入,经过适当的时间,迅速退出电容器组。

整个过程可理解为无功功率的就地补偿,只是时间很短。

电容补偿起动的优点在于起动时,电动机的端电压不降低同样可以减少起动电流,并且不减少起动转矩,缩小起动时间。

图1 电容补偿起动控制系统图
3.3.3可控硅调压（软起动）
一般称之为电机的软起动，通过采用晶闸管调压电路来控制电压的大小。

如图2所示：
图2 晶闸管调压电路
虽然采用双向晶闸管实现了定子电压随负载变化的连续调节，节电效果较好，但是电源电流波形发生畸变，电网谐波污染严重，另外在油田的恶劣环境下，其可靠性等都受到制约。

同时结构复杂，成本较高。

3.3.4液态电阻软起动
在起动过程中, 将可变电阻串入定子, 实现限流, 在起动完成后将它短接。

电阻的可变性是靠改变电解液电阻箱的极板距离实现的。

电解液电阻箱串入定子的方法在本质上属于降压起动, 它是以牺牲起动力矩为代价的。

电阻值随着电机转速的升高而均匀减少, 借以不断增加起动力矩, 并为短接时不产生电流冲击准备条件。

其系统如图3所示。

图3 液态电阻软起动
在定子回路中串入电液变阻起动器的三相电阻, 其中Q F1 为主机运行断路器,Q S 为隔离开关,Q F2 为星点短接断路器, RS 为电液变阻起动器。

电液变阻器由三个相互绝缘的电液箱构成, 内部分别盛有电液及一组相对应的导电极板, 导电极板为一动一定, 动极板组通过传动机构及伺服控制系统控制运行。

起动开始后, 根据电动机起动电流的大小可自动地调整液阻值, 使整个起动过程控制在较小起动电流下均匀升速, 而液阻无级切除, 从而实现电动机的软起动。

优点成本低，易于维护，工作环境要求不高；缺点：体积大，占地面积大。

3.3.5变频电源
随着大功率半导体器件的发展，研制具有高性能价格比的抽油机专用变频电源是有发展前途的油田节能产品。

如采用基于双PWM变频电路的电源系统，实现电能的双向流动，同时具有输入功率因素校正作用。

电压型双SPWM变频器主电路如图4，双SPWM变频器控制策略如图5。

图4 电压型双SPWM变频器主电路
以上新型双SPWM变频电源实现了能量的双向流动，且功
率因素接近1，是抽油机类频繁可逆、快速制动负载的最佳电源选择，其节电效率可达15％。

其缺陷是设备成本较高，控制系统复杂，在油田的恶劣环境下工作，其可靠性防盗等都成问题。

但长远来看，应该是发展方向。

图5 双SPWM变频器控制策略
4抽油机用节能电机评价
抽油机作为活塞式有杆泵的地面举升设备，只要能够满足其运动及机械特性的电动机就可以作为其拖动的动力设备。

常见的抽油机用节能电机有异步电机和同步电机；例如：(超)高转差三项异步电动机、永磁同步电动机等。

4．1常规游梁式抽油机的工作特性
抽油机工作时是由电机驱动减速器带动四连杆机构实现驴头上下摆动，驴头带动抽油杆使活塞泵做上下往复运动完成抽汲过程。

抽油杆在上行和下行时负载的变化大，导致抽油机减速器的净扭矩波动幅度大，反映在电机上则电流变化大。

由于抽油机具有自身的机械平衡装置和周期脉动的负载特性，所以要求电机具有高启动扭矩，才能保证抽油机在静止状态下启动起来。

这样在选择电机时要求电机的额定功率要大(启动扭矩要大)，当抽
油机启动以后正常运行时负载下降电机在轻载下工作(一般运行功率仅为装机功率的三分之一)，系统效率测试数据显示抽油机井电机效率多在40％。

60％、功率因数在0．3～0．5之间。

4．2节能电机简介
多年来的实践表明，我们认为节能电机应具备“电机拖动负载与电机的输出扭矩(功率)间的合理匹配”的功能，抽油机在运行过程中，电机的输出功率随着载荷的变化在无人为干预的情况下实现自动转换。

统计我厂在用各类电机的情况显示，复式电机与双绕组电机能够实现“电机拖动负载与电机的输出扭矩(功率)问的合理匹配”，即启动和运行的功率不同。

其它种类的节能电机仅仅做到了根据目前负载适当降低装机功率达到节能的目的，即启动与运行仍然是在相同功率下。

当抽油机的负载率达到85％以上时，这类节能电机是启动不起来的，但是原机型所匹配的常规Y 系列电机则不存在启动困难的问题。

5.解决方案
基于以上分析，结合实际。

拟订以下解决方案。

5.1 研制和生产节能型抽油机专用电机
针对油田情况，设计和生产油田抽油机专用特种电机：抽油机用永磁同步电机，电磁调速电机和双定子电机可以在很短的时间内，得到相关产品，并推向市场。

5.2研制和生产液态电阻软起动系统
液态软起动技术，其研究成本较低，周期短，能适应油田恶劣的工作环境，维修简单。

容易为广大的油田用户所接受。

场地问题在油田不是很突出，以此为相关电机的起动解决方案，结合特殊设计的油田抽油机电机，可以较快的赢得市场和客户。

5.3 研究和试推广双SPWM变频系统
此项系统是较为先进的技术，其工业化和市场化的时间较长，但其无疑代表了油田抽油系统未来的发展方向，目前看来，由于成本较高，控制技术复杂，可靠性等问题，油田用户接受还需要一个过程，但可以相信，会有越来越多的客户选择这一技术。

以上方案，仅是针对油田抽油机提出，但它同样可以适用于其他行业类似负载的解决方案，如电厂，钢铁企业等，所以可以预见，一旦我们有系列化的产品，所面对的市场将是非常广阔的。

6.结论与认识
1、抽油机在油田的使用量大，而负载率普遍偏低，功率因数则更低，电能的无谓浪费严重，节能降耗潜力巨大。

2、高转差率多极电机拖动系统，能适应油井调参要求，软的机械特性对延长抽油机寿命有利，新装油田可以采用这类产品。

3、抽油机节能电控装置的发展方向是节能效果好，能与油井负荷相匹配，并有完善的保护功能；有数据采集和存储功能，联网和通信功能，以及遥控遥测功能；并能适应油田的环境要求，操作简单，智能化程度高。

4、节能电机依据抽油机负载实现逐级匹配时，必须要作到理论计算结果与实际生产情况的结合，追求其最佳匹配效果。

5、常规电机在节能改造中应追求经济、高效、实用的原则。

6、抽油机设备老化比较严重，造成设备利用率低、能耗大，后期维护性费用高，面临越来越严峻的节能形势，在油价不断上涨的形势下应抓住有利时机对抽油机进行更新改造。

7、通过对抽油机经济寿命和现有老井抽油机现状分析研究可知，更新改造抽油机还有较大空间和潜力。

8、探讨抽油机节能改造发展趋势可知,采用节能措施后,今后5年抽油机年均节电1.4×108kWh，吨液耗电水平呈下降趋势。

参考文献
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[3]王鸿勋、张琪. 采油工艺原理. 石油工业出版社, 1989. 7
[4]李颖川. 采油工程. 石油工业出版社, 2002. 2
致谢
本设计现在全部完成，在这次设计过程中得到了艾妮阿不都·热依木老师的指导和帮助，感谢我的指导老师对我的辅导，通过在中国石油大学的学习，本人顺利地完成了学习课程和论文，在此表示诚挚的感谢！！我的论文汇报完了，文中存在不足之处，望各位专家和评委批评指正。

谢谢。