抽油机结构图

1 引言

石油化工行业是国民经济发展的基础行业，同时也是耗能大户。目前，我国石油化工行业中抽油机的保有量在10万台以上，电动机装机总容量在3500MW，每年耗电量逾百亿kW·h。抽油机的运行效率特别低，在我国平均效率为25.96％，而国外平均水平为30.05％，年节能潜力可达几十亿kW·h。我国的油田不像中东的油田那样有很强的自喷能力，多为低渗透的低能、低产油田，大部分油田要靠注水压油入井，再用抽油机把油从地层中提升上来。以水换油或者以电换油是我国油田的现实，因而，电费在我国的石油开采成本中占了相当大的比例，所以，石油行业十分重视节约电能。多年来，各采油厂一直在抽油机节能的问题上下功夫，近几年的实践证明，变频调速是最理想的高效调速节电技术。在油田生产中，应用变频技术，一是改造“大马拉小车”设备，适应变工况运行，二是生产工艺自动化的需要，作为闭环系统中理想的执行器。因为油田生产的特殊性，选用变频器常重点考虑操作简单化，运行的安全性、可靠性、经济性，出现故障后系统处理的灵活性。变频技术的发展日新月异，在油田生产中也由过去的简单应用发展到系统集成，自动控制。所以，我们面临的问题是怎样做到变频、电机、负载整个系统应用最优化，节电效益最大化。

2 抽油机介绍及相关功能需求

抽油机(俗称叩头机)是石油开采中的必备设备。一般，每个原油生产井都至少使用一台抽油机，将深藏在地下(或海水中)的石油通过抽油管抽出。图1给出了抽油机的结构图。抽油机的每个工作循环可分为上提抽油杆，下放抽油杆，从上提抽油杆转换为下放抽油杆，从下放抽油杆转换为上提抽油杆四个阶段。

图1 抽油机结构图

图1中: 1—底座; 2—支架;

3—悬绳器; 4—驴头;

5—游梁; 6—横梁轴承座;

7—横梁; 8—连杆;

9—曲柄销装置; 10—曲柄装置;

11—减速器; 12—刹车保险装置;

13—刹车装置;14—电动机;15—配电箱。

抽油机的负荷电流曲线如图2所示。显然抽油机的负载为一周期性变化的负载。抽油机由于其特殊的运行要求，所匹配的拖动装置必须同时满足三个最大的要求，即最大冲程，最大冲次，最大允许挂重。另外，还须具有足够的堵转转矩，以克服抽油机启动时严重的静态不平衡。因此，往往抽油机在设计时确定的安装容量裕度较大。

图2 抽油机负荷曲线图

抽油机是油田用电的主要设备之一，它的动作原理是由交流电动机恒速运转拖动抽油泵，沿着重力作用方向进行往复运动，从而把原油从数百至数千米的井下抽到地面。分析其负载特性可知其惯量较大，而不同的油井的粘度大小又很不同，当油的粘度较大时，泵的效率也变低，往往启动也很困难。该负载又是周期负载，上升、下降行程负载性质亦不同，下降时尚带有位势负载性质。为适应这些复杂的工况，抽油机的配置及其实际工作状态往往只能是大马拉小车。当油井的地下渗透能力小于抽油机的泵排量时(绝大多数油井如此)，为了提高抽吸效率，降低单位产量的能耗指标，最直接的办法是实行间抽。但是大多数的油井是不允许间歇性工作的，因为如果长时间停机的话，轻则会影响产油量，重则会使油井无法再开启。这是因为含蜡量高或含盐量高以及油的粘稠度高，且地处高寒地区的油井，如果间歇工作，会造成井口结蜡、结盐或结油的后果，使油井无法再开启;对于注水油井，如果停止抽取，势必会影响产油量，这将是得不偿失的事，对于这类油井，就要采用其它的节能方法。

为了使抽油泵的排量与油井的渗透能力相适应，可以通过改变抽油机的电动机转速来实现。抽油泵是一种柱塞泵，对电动机来讲是一种恒转矩性的负载，也即电动机的电功率与其转速成正比。抽油机电机的负荷是一周期性脉动负荷,并迭加有瞬间的冲击。抽油机电机的负荷曲线上有两个峰值,分别为抽油机上下冲程的“死点”。抽油机自由停车后再启动时，总是从死点处启动,因此抽油机电机要求启动转矩大。为了保证足够大的启动转矩,抽油机电机正常运行时负荷率很低,一般在20%左右,负荷率高的也不过30%。低负荷率运行造成功率因数低,效

率低,电能浪费大。因此，在设计选配抽油机电机时，普遍的做法是令其抽取量大于实际负荷。它所带来的新问题是当抽油机排量过剩时，抽油机的运行会出现无功抽取，出现空抽或泵空状态，伴随泵空还会产生井喷、气锁等事故，而井喷、气锁又是导致钻具组、泵装置甚至地面设备损坏的主要原因。另外，由于过度的不间断运行，机械设备的损耗也相应上升，造成传统抽油机成本高，噪音大，运行可靠性低。有效控制泵空是亟待研究的课题。抽油机是油田耗能大户，用电量约占油田总用电量的40％，其总体效率很低，据调查一般在30％左右，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。因此，抽油机的节能潜力非常可观。

3 抽油机采用伦茨变频调速系统后性能分析

近年来，市场上直接针对抽油机的节电技术主要有两大类:一是开发不同类型的抽油机节能电机，如超高转差率电动机、三相永磁同步电机、高启动转矩双定子结构电机和电磁调速电机等。但由于资金投入太大，在许多油田用节能电机取代普通异步电机尚无法全面推广。二是使用节能配电箱，其中包括定子绕组Y-Δ转换调压和电容器动态无功补偿及静态无功补偿等。采用改变定子绕组的接法可以改变电机电压，但电机只能得到固定电压，节电效果并不理想。虽然有些装置采用双向晶闸管实现定子电压随负载变化连续调节，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，不宜大面积长期使用。而采用变频调速控制，则可以改变抽油机长期处于低效做功的状态，使其工作方式与油井实际负荷相匹配，保证每次都抽油，减少低效甚至无效抽取，从而降低电费开支，减少维护成本，提高运行效率，图3为过去抽油机的控制方案。

图3 过去抽油机的控制方案

在抽油机采用伦茨变频调速技术后，有如下几个方面的显著效果:

(1) 变频器具有软起动功能起动时电流较小，对电网冲击小，起动时能耗大为降低。避免了启动时的相当于3~7倍的额定电流，避免了不必要的电能损耗。耗同时减少了对电动机，变速箱，抽油机等大机械的冲击，延长了相关设备的使用寿命。在工作中电机的功率因数可从0.2~0.5提高到0.9，减轻电网和变压器的负担，降低线损，大量减少了无功损耗;

(2) 引进变频器控制可实现设备上，下行程自动识别从而控制抽油机上、下行程的电机运行频率分别可调，以改变抽油机上、下行程的运行速度。亦可对变频器能耗制动进行准确控制，以使变频器更适应该运行工况。加上抽油机冲次的任意调节，可使用抽油机的抽汲参数对不同油井而言更趋合理，当调节适当时，可提高泵的充满系数，减少泵的漏失，从而提高泵效达到增产目的。冲次的任意调节，可不停机调节产量，解决了因更换皮带轮调速造成的停产，从而提高了生产效率。同时达到满足泵效的情况下耗用最少的电能;

(3) 由于抽油机下行时负载性质为位势负载，变频器加装能耗制动功能后恰能适应其工况。对于改变抽油机转速调节最佳工作状态带来很大方便。在现场应用中感觉到，上行速度慢于下行速度的工作方式往往较为理想，在提高了泵的充满系数的同时也提高了泵效，从而提高了采油量。分段转速控制，通过变频器对抽油机转速调节，根据抽油机的特殊工况，把转速控制细化为上冲程转速和下冲程转速控制，在上冲程时电机工作在50Hz 以上，提高转速，下冲程电机工作在20~30Hz减小转速，从而降低漏失，提高泵效;

(4) 油田采油的特殊地理环境决定了采油设备有其独特的运行特点:油井的供油状况不是保持不变的，抽油机工作情况的连续变化，取决于地底下的状态，若始终处于工频运行势必造成电能浪费。另一方面，油田抽油机为克服大的起动转矩，采用的电动机远远大于实际所需功率，工作时电动机利用率一般为20%～30%，最高不会超过50%，电动机常处于轻载状态，造成巨大的电能浪费。若应用高效回馈型制动单元，结合伦茨变频器实现“变