一、引言

據(jù)《世界經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒》和《中國統(tǒng)計年鑒》公布的數(shù)據(jù)測算，我國的耗能標煤比其他發(fā)達國要高出幾倍能源。大量的能源消耗既造成了經(jīng)濟上的極大浪費，同時也因嚴重的環(huán)境污染而造成了極大的社會問題。節(jié)能減排已成為擺在我國面前亟待解決的實際問題，同時也成為了政府當前的重要工作之一。根據(jù)國家有關規(guī)劃，電機系統(tǒng)節(jié)能是國家發(fā)改委啟動的十大重點節(jié)能工程之一。抽油機用電量約占油田總用電量的40%，我國各油田的抽油機電動機裝機總容量在300萬千瓦以上，年總耗電量達100億度以上。目前井場的抽油機普遍采用直接的工頻運行，系統(tǒng)效率非常低，平均運行效率只有25%，電能浪費巨大。因此，抽油機節(jié)能潛力非常巨大，石油行業(yè)也是推廣“電機系統(tǒng)節(jié)能”的重點行業(yè)。

二、游梁式抽油機介紹

目前國內抽油機種類繁多，大概以游梁式、無梁式以及新型抽油機三類進行統(tǒng)計。目前應用最為廣泛的是游梁式，屬于有桿抽油設備。游梁式抽油機指含有游梁，通過連桿機構換向，具有重塊平衡的抽油機，俗稱磕頭機，典型游梁式抽油機如圖1。游梁式抽油機是一種變形的四連桿機構，其整機結構特點像一架天平：一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對于支架來說，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動力就可以使抽油機連續(xù)不間斷地工作。抽油機驅動電動機負荷的大小變化取決于平衡的好壞，在平衡率為100％時電動機提供的動力僅用于提起約1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，則需要電動機提供的動力越大。因為，抽油載荷是每時每刻都在變化的，而平衡配重不可能和抽油載荷作完全一致的變化，使得游梁式抽油機的節(jié)能技術變得十分復雜。

在下沖程時，平衡重從低處上升至高處，平衡重位能增加。平衡重所增加的位能由兩部分構成：油桿柱下落所釋放的位能與電動機產(chǎn)生的能量。由于抽油機油桿柱下落所釋放的位能大于電動機給平衡重增加位能，使電動機處于發(fā)電的運行狀態(tài)。    

在上沖程時，平衡重由高處下落，把下沖程時儲存的位能釋放出來，幫助電動機提升抽油桿液柱，減少電動機在上沖程時所需給出的能量，但電動機還要付出一定能量。  

圖1 游梁式抽油機

由以上分析可知，抽油機運行過程中，電動機伴有發(fā)電狀態(tài)。根據(jù)油田現(xiàn)場經(jīng)驗總結，抽油機的制動頻度一般在20%左右。

三、抽油機存在的問題分析

為適應野外作業(yè)，磕頭機以經(jīng)濟可靠、皮實耐用而成為目前各大油田普遍使用的采油機械。由于油田的原油高含水率和井下情況復雜，抽油機普遍存在著低效、高能耗等問題。

（1）抽油機系統(tǒng)效率低

抽油機在開始起動時，要求啟動轉矩很高，所以設計時選型一般偏大。在油田現(xiàn)場， “大馬拉小車”現(xiàn)象是比較常見的，正常運行時負荷率很低，一般在20%左右，高時負荷率只有30%，加之抽油機一直處于工頻恒速運行，泵效低，因此抽油機普遍運行在低效區(qū)。在我國，抽油機的平均效率約為25%，國外平均水平約為30%。

（2）沖次調節(jié)困難

    在實際開采作業(yè)過程中，受油井的儲油量、井深、油質、雜質、含沙量、含水量、抽油泵情況等諸多客觀因素的影響，須經(jīng)常性地調整作業(yè)沖次。同時，由于油田所處地理位置、緯度的不同，以及所處地區(qū)的氣候等自然因素，也會對開采作業(yè)產(chǎn)生影響，要求抽油機根據(jù)實際工況進行相應的沖次調整。傳統(tǒng)沖次調節(jié)采用機械調整方式，需要拆裝皮帶，費時費力，作業(yè)強度大。

（3）啟動沖擊大，機械損傷嚴重

由于電機全電壓啟動時，啟動電流達額定電流的7倍，因此抽油機啟動時，會對電機和供電電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，導致對電網(wǎng)容量要求過高，而且啟動時產(chǎn)生的大電流和震動，不僅無謂浪費掉大量的電能，而且對電動機的絕緣的威脅，嚴重時甚至燒毀電動機。不僅如此，抽油機工頻啟動時產(chǎn)生較大的機械振動應力，嚴重影響到抽油機及其它機械的使用壽命。

四、WIN-PSS-EP在遼河油田的變頻改造

要解決抽油機存在的問題，尤其是要提高抽油機的系統(tǒng)效率，是一個復雜而又系統(tǒng)的任務。不少油田采用了電機變頻調速技術，提高了抽油機系統(tǒng)的地面效率，對泵效的提高也有很大的幫助，并由此真正帶來野外無人值守，全自動運行，不必更換機械設備即可任意控制抽油沖次，適用于不同地域、結構的油井。所以采用變頻器調整抽油機的電機轉速取代機械沖次調節(jié)是大勢所趨。目前，磕頭機上交流變頻調速系統(tǒng)廣泛采用簡單的能耗制動，存在浪費電能、電阻發(fā)熱嚴重，快速制動性差等缺點。因此，采用能量回饋單元越來越受到青睞。WIN-PSS-EP是微能公司根據(jù)多年的油田實踐經(jīng)驗開發(fā)的抽油機節(jié)能控制系統(tǒng)，該產(chǎn)品集變頻回饋于一體，并保留工頻回路，性能可靠，節(jié)能效果顯著。

（1）WIN-PSS-EP的原理簡介

    WIN-PSS-EP電壓等級380V，其核心是新一代SVPWM變頻系統(tǒng)，低速高轉矩輸出，并且內置回饋單元。整個系統(tǒng)保留工頻回路，若變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可使用工頻運行，以保障產(chǎn)液量不受影響。系統(tǒng)的主回路示意如圖2所示。

                    圖2 WIN-PSS-EP主回路示意圖                                     圖3 WIN-PSS-EP

變頻回饋系統(tǒng)是WIN-PSS-EP的核心，其原理示意如圖4。圖中，①表示整流單元，②表示逆變單元，③表示能量回饋單元。交流電網(wǎng)經(jīng)整流單元變?yōu)橹绷麟娫春?，由逆變單元變換為頻率可變的交流電源，供電動機驅動抽油機械。本系統(tǒng)屬于電壓型變頻方式，采用SVPWM的控制方式，直流電壓利用率高，轉矩脈動小。

圖4 變頻回饋原理示意圖

考慮到抽油機機械設備的限制，變頻系統(tǒng)的調速范圍一般不會高于50Hz，但若在追求產(chǎn)液量的高產(chǎn)井中，可以將頻率調整大于50Hz，以增加產(chǎn)業(yè)量。若井場沒有單獨供電的風扇對驅動電機繞組散熱，變頻系統(tǒng)一般運行在20Hz以上。在實際運行中，變頻調速的范圍一般在20~60Hz。

抽油機一般在下行過程中存在發(fā)電狀態(tài)。在發(fā)電狀態(tài)時，電動機作負功，電機繞組上的能量通過逆變單元返回至直流母線，引起直流母線的電壓升高。圖中并聯(lián)在直流母線上的能量回饋單元③在檢測到電壓超過設定的閥值時，自動將直流電源逆變成與電網(wǎng)同頻同相的交流電源，它將作為能量傳遞的通道，使能量回饋至電網(wǎng)。能量回饋單元將電動機發(fā)電產(chǎn)生的電能全部回饋至電網(wǎng)，如果不能將直流母線的能量及時的處理，會引發(fā)變頻系統(tǒng)的保護電路動作，系統(tǒng)將無法工作。

在實際使用中，控制系統(tǒng)可以使用傳感器開關實測抽油機是處于上沖程還是下沖程，以便分別調速，降低下沖程的速度可以提高泵的充滿度，而升高上沖程的速度，以減少泵的漏失系數(shù)，這樣可以提高效率。

（2）WIN-PSS-EP的技術特點

WIN-PSS-EP系統(tǒng)專為油田應用設計，具有如下特點：

① 性能穩(wěn)定，可靠性高。

② 使用能量回饋的方式處理再生能量。能量回饋比一般的制動電阻多節(jié)約10%~15%的電能，并且不必為現(xiàn)場應用中制動電阻的散熱問題而煩惱。這樣，不僅帶來了經(jīng)濟效益，也緩解了油田電網(wǎng)的壓力。

③ 諧波含量小。回饋單元同步檢測電源電壓，采用PWM控制方式，并內置輸入濾波裝置，全程噪聲過濾內，回饋電壓畸變率小于國家標準，諧波含量小，真正做到綠色無污染。

④ 防護等級高。WIN-PSS-EP系統(tǒng)結構完全采用野外設計標準，防護等級為IP54，系統(tǒng)外觀如圖3。

⑤ 支持通訊監(jiān)控。WIN-PSS-EP系統(tǒng)作為數(shù)字化油田的底層設備，可與油田監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。實時觀測油井驅動電機的電量參數(shù)，在沒有實現(xiàn)示功圖采集的井場可以作為分析油井工況的依據(jù)。

（3）WIN-PSS-EP在遼河油田的應用

遼河油田是一個地質條件十分復雜，含油層系多、儲層種類多、物性變化大、油藏類型多的復式油氣區(qū)，勘探開發(fā)已經(jīng)進入中后期。遼河油田普遍采用有桿抽油方式，而所用的抽油機普遍存在效率低、能耗大等情況。在實際生產(chǎn)過程中，油井的供液能力隨時都有變化，需要對抽油系統(tǒng)運行參數(shù)進行及時而合理的調整，其中抽油機沖次的調節(jié)尤為重要。原系統(tǒng)采用工頻直接驅動電機的方式，一般通過更換電機皮帶輪調節(jié)沖次，抽油機沖次一般只有三檔，不僅調節(jié)沖次困難、采油效率低，而且機械損傷嚴重。

為改善原系統(tǒng)的諸多弊端，采用WIN-PSS-EP系統(tǒng)對抽油機進行改造。井場提供380V/50HZ輸入交流電源，根據(jù)油井負荷不同，遼河油田各井場的抽油機配備的電動機功率將有所不同，這就使得各井場的WIN-PSS-EP功率型號有所區(qū)別。本文僅以遼河油田錦州采油廠某作業(yè)區(qū)井場為例進行分析，該井場配備CYJY6-3.5-26HB 型抽油機，電機為雙速電機，主要參數(shù)如表1所示。

表1 井場電機主要參數(shù)

由于現(xiàn)場油井在冬天停機時容易凍住，根據(jù)WINNER多年的油田現(xiàn)場經(jīng)驗，我公司配置的系統(tǒng)如表2。

表2 現(xiàn)場配置的WIN-PSS-EP主要參數(shù)

井場安裝好WIN-PSS-EP后，按標準程序檢查好系統(tǒng)的所有接線，對抽油機進行現(xiàn)場啟停、調速試驗等，WIN-PSS-EP都能出色的完成試驗任務。

依據(jù)SY/T5264-2006《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》、SY/T6422《石油企業(yè)節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定》中的有關標準，油田節(jié)能檢測中心對本井工頻與變頻運行進行現(xiàn)場對比測試，其部分檢測數(shù)據(jù)如表3。

表3 現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)

由上表可知，油井在降低產(chǎn)液單耗的基礎上降低了總體耗電，不僅如此，使用WIN-PSS-EP之后，提高了抽油系統(tǒng)的地面效率和總體效率，日產(chǎn)液量也有所增加。在現(xiàn)場測試條件下，通過對本井工頻與變頻狀態(tài)的對比測試，油井的有功節(jié)電率為30.71%，無功節(jié)電率為77.32%，綜合節(jié)電率為32.92%。

五、WIN-PSS-EP的優(yōu)點

根據(jù)現(xiàn)場實踐的檢驗，WIN-PSS-EP具有如下的優(yōu)點：

① 比通用變頻系統(tǒng)更加節(jié)能。因為梁式抽油機的運行狀況并非是恒轉速狀態(tài)，其運行狀態(tài)是：上沖程和下沖程。若配重不平衡時，電動機處于頻繁的深度的發(fā)電和電動交替的狀態(tài)。用在抽油機上的普通的變頻器，一般是外接一個制動單元和制動電阻，把抽油機下行過程中產(chǎn)生的電量消耗掉，而沒有回饋到電網(wǎng)上，造成了抽油機變頻改造的節(jié)能效果差。在使用變頻能量回饋功能時，將電動機發(fā)出來的電能將回饋到原電網(wǎng)，從獲得了理想的節(jié)能效果，WIN-PSS-EP比普通通用變頻器多節(jié)能10～15％，熱損耗為電阻制動的3％以下。

② 傳動核心技術成熟，可靠性高。抽油機節(jié)能有很大一部分是在保證產(chǎn)液量的基礎上降低轉速節(jié)能的，也就是通過變頻節(jié)能。WIN-PSS-EP系統(tǒng)集WINNER多年的變頻傳動經(jīng)驗，技術先進，性能穩(wěn)定，可靠性高。

③ 操作簡單。WIN-PSS-EP專門針對抽油機設計，操作方式遵循行業(yè)習慣，適于普通采油工直接操作，無需手冊及操作手冊。

④ 可分別設定上下沖程頻率。根據(jù)磕頭機運行工況針對性設計，可據(jù)單井工況調定上下沖程變頻器最佳運行頻率，并可基于此設計全自動控制方案。

⑤ 諧波污染小。內置輸入濾波裝置，全程噪聲過濾，對電網(wǎng)的諧波污染相比通用變頻器大大減小。

⑥ 可任意的調節(jié)抽油機沖次，節(jié)約電能，提高效率，增加產(chǎn)液量。在初期油井中，由于油井剛開采，儲油量大。為提高采油功效，我們可以提高抽油機的沖程頻次，讓變頻器運行至60Hz，頻率提高1/5，相應地電機轉速提高了20%，其采油量也相應提高。而在中、后期油井采集中，由于井中原液儲量減少，供液不足，因而我們采用調整抽油機的沖次和選用上快下慢的控制方式，可根據(jù)泵的充滿負荷度微量調節(jié)速度的動態(tài)調整，提高泵充滿系數(shù)及排量系數(shù)，達到更加節(jié)能與增產(chǎn)的運行效果。

⑦ 提高網(wǎng)側的功率因數(shù)。原電機直接由工頻驅動時，滿載時功率因數(shù)為0.81左右，實際運行功率因數(shù)遠低于0.7。采用變頻調速系統(tǒng)后，電源側的額定功率因數(shù)甚至可提高到0.9以上，無需無功補償裝置就能大大的減少無功功率，滿足電網(wǎng)要求，可進一步節(jié)約上游設備的運行費用。

⑧ 降低設備運行維護費用。采用變頻調節(jié)后，可對電機實現(xiàn)軟啟動，啟動時電流不超過電機額定電流的1.2倍，對電網(wǎng)無任何沖擊，由于通過調節(jié)電機轉速實現(xiàn)節(jié)能，在負荷率較低時，轉速也降低，主設備及相應輔助設備如軸承等磨損較前減輕，維護周期可加長，檢修費用下降，設備運行壽命延長。

⑨ 增加了電氣保護。與原來舊系統(tǒng)相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升等多項保護功能，更完善地保護了電機。

⑩ 提高了自動化水平，為油田的數(shù)字化建設提供底層保障。直接通過變頻器實現(xiàn)動態(tài)調整抽油機的轉速，可無級調節(jié)抽油機的沖次，可方便實現(xiàn)遠程集中監(jiān)控，便于檢測設備運行狀況。

六、結束語

深圳市微能科技有限公司W(wǎng)IN-PSS-EP系列抽油機節(jié)能控制柜以其極高的可靠性、適應性和強大的功能在油田的節(jié)能改造中發(fā)揮著重要作用，在井場長時間的穩(wěn)定運行受到一線員工的好評，由它帶來的無級調速大大降低了現(xiàn)場沖次調節(jié)的作業(yè)強度和時間，其能量回饋功能使其節(jié)能達到最佳化。隨著油田節(jié)能改造步伐的加快，WIN-PSS-EP系列產(chǎn)品必將以其出色的表現(xiàn)贏得油田用戶的信賴。