夏正华、江 鹏
中国石油工程建设有限公司 北 京 100120
中国石油工程建设有限公司北京设计分公司 北 京 100085
摘要：随着油田的开发，地层本身能量不足以使原油产生自喷，原油开采的方式由自喷采油法转入机采。抽油机是机采油田的耗电大户，使得原油井开采的电费成本居高不下，能源浪费十分严重。本文主要分析油田抽油机的节能，并结合变频技术提高电能的利用效率，从而保证油田正常生产，提高油田经济效益。
关键词：抽油机；节能；变频
引言
我国大多数的油田已相继进入了油田开发的中后期，油井逐渐丧失自喷能力，基本上已从自喷转入机采，其中抽油机采油井占油田总井数约为90%抽油机的运行效率特别低。近几年，随着油田油气勘探开发的深入，稳油控水和节能的要求也不断提高，抽油机是油田的耗电大户，其用电量约占油田总用电量的40%，使得油井开采的电费成本居高不下，而抽油机的运行效率特别低。为提高节能环保，目前已有部分的油井使用了节能设备，如各种节能型抽油机、节能型电机以及节能配电箱，各油田已经配套使用了许多变频控制，在保证生产的前提下，合理使用能源，也需最大限度地节约电能，以取得较好的经济效益。
1 抽油机工作原理
抽油机（磕头机）是油田中后期石油开采中的必备设备。每口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。抽油机的每个工作循环可分为4个阶段，即上提抽油杆，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。游梁式抽油机的地面部分一般由电动机、减速器和四连杆机构(包括曲柄、连杆和游梁)等组成，工作时电动机通过三角皮带带动减速箱减速后，由四连杆机构把减速箱输出轴的旋转运动变为游梁驴头的往复运动，用驴头带动抽油杆作上下往复的直线运动，即可将原油从油井中抽出。
抽油过程中抽油机的负载不断变化，变化周期也很短，一般游梁式抽油机每分钟有4～12个周期，每一周期中负载变化两次，而且重载工作时间很短。随着采油的进行，井下负载情况发生了变化，负载减轻以致机械效率降低。启动或瞬时超载时，需充分考虑足够的转矩，则抽油机配套的电动机功率不得不留有较大的功率裕度。电机正常运行时负载率很低，一般在20%～30%。低负载率运行造成功率因数低、效率低、电能浪费大。由上，抽油机的节能节电空间很大。
2 抽油机的节能节电方式
抽油机的节能节电方式通常可从抽油机的结构改进，电机的效率，节能配电装置和节能电控装置去实现。
2.1抽油机结构节能化
改进抽油机的结构，对抽油机四杆机构的优化设计和改变抽油机平衡方式来改变抽油机曲柄轴净扭矩曲线的形状和大小，减小负扭矩，使扭矩波动平缓，从而减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。
2.2 抽油机节能电机
开发抽油机节能电动机，使之与各采油井井况相匹配，达到提高电动机的效率和功率因数的目的，但电动机研发资金投入大。
2.3 抽油机节能电控装置
抽油机电机可安装继电接触器，通过定子绕组进行切换，实现有级降压节能。此外，抽油机安装变频调速器，可以根据油井的出液量，自动调节电动机转速来调整功率，以达到节能目的。抽油机装备变频调速器在节能方面具有以下优点：可根据油井的实际供液能力，自动调整电动机转速，达到节能和增加产量的目的；提高了功率因数(提高到0.9以上)，从而减少供电电流，减轻了电网及变压器的负担，降低了线损。
通过变频调速器降速实现节能，是抽油机节能电控装置的发展方向，并且已经在我国部分油田得到了应用。随着电力电子技术的发展，变频调速器的性能将进一步提高，在抽油机节能装置改造上也会得到进一步的推广。
3 抽油机变频技术的应用效果
抽油机采用变频调速控制，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。可实现调整冲程频次，提高系统效率；调整上下行程速度，提高产油量；降低输入功率，节约用电；提高功率因数，减少无功损耗；减小电网冲击，实现软启动。
变频技术加智能控制，不但可以提高采油系统的效率、降低吨油成本、提高产量，使抽油机的工作参数更适合地下工况，而且调整更方便容易，有效解决起动冲击大，运行耗电多，大马拉小车、效率低下等诸多问题。
4 抽油机中采用变频技术存在的问题及解决
4.1 抽油机采用变频技术存在的不足
变频控制技术在抽油生产设备上并未获得较大规模推广，影响的因素较多，主要有以下几方面：倒发电现象难处理，过高的泵升电压使变压器不能正常工作；单井都要配备变频器，造价太高，各抽油机控制器之间相互独立，缺少信息共享和集中管理；抽油机的工作环境恶劣，电力电子器件在野外可靠运行是必须解决的问题。任何新型控制装置的推广都必须经过大量和反复的现场试验，而高故障率和返修率是目前油田未使用此类技术的重要原因。
4.2 变频技术不足的解决方法
针对倒发电现象，可采用电阻制动、电容吸收、回馈制动等方式解决，利用回馈制动的方式将倒发的电能回馈电网是比较先进的方法。对于同一井场上有多口油井的场所，可以采用共用直流母线系统方案即若干台抽油机的变频器可共用一台整流器，将其直流母线联结在一起，利用各变频器的回馈能量不可能在同时发生的原理，将某一台变频器的回馈能量作为其它变频器的动力。这样既节约了能量，又防止了泵升电压的产生。结合抽油机载荷的特殊性和野外工作特点，按照严格的工业标准设计把制动电路、回馈电路、无线滤波器、线路电抗器和防雷击装置集成到专用变频器中，提高防护等级，增强整机的可靠性。同时，开发抽油机专用变频器，将抽油机所需的重要功能有机结合为一体，并具有抽油机所需的各种保护功能及相应的放电回馈电路，功能完善的同时有效的降低成本。
结束语
国内油田的节能市场潜力十分可观，抽油机市场中，大庆油田有几万台抽油机，辽河油田有几千台抽油机，胜利油田有一万多台抽油机，还有吉林油田，中原油田，江汉油田，克拉玛依油田，吐哈油田，长庆油田等，通过变频技术提高抽油机系统的总效率，实现节能是目前最理想的选择方案。随着现代电力电子技术的迅速发展，低压变频器产品已经十分成熟，并且价格也大幅度下降，在抽油机上大量推广变频技术进行节能改造已具备大范围应用条件。
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