抽油机力矩节能装置在长庆油田的应用

杨映洲 陈 龙 陈 帅 程文涛 姚建豪 朱东华

（1. 长庆油田第三采气厂 内蒙古 鄂尔多斯）（2. 河南油田测井公司 河南 南阳）

0 引 言

目前，全国各大油田均进入了二次开采、三次开采阶段，开采难度高，设备自动化运行程度低，大马拉小车的现像时有发生，导致油田作业人员人工劳动强度大。由于油田机采井抽油机是一种大惯量变化负载，所采用的拖动设备是三相异步电机，普遍存在效率低，不便调速，上下冲程不可调，功率因数低等弊端。例如：一台37 kW 电机的抽油机，其实际输出功率不足15 kW，这不是一个偶尔现象，而是一个普遍问题。油田是产能大户，同时也是耗电大户，其中抽油机耗电占整个油田耗电的60%以上，因此降低抽油机的电耗，也就降低了原油的生产成本，减少了电费开支，因此抽油机节电是非常重要而且也非常必要的。因此抽油机能源的浪费及如何提高其产量的问题，已越来越得到人们的关注，并已有大量的科研机构和科研人员投入大量的精力、财力进行相关的研究与试验，抽油机力矩直接控制节能装置能够较好的解决上述问题因而得到广泛的认可和应用。

抽油机力矩直接控制节能装置采用全闭环设计、节能增效显著，本装置是结合油田油井运行工况和变频节能的技术开发而成，当油井产液量发生变化时，产能跟踪中央微控制器采用双16 位计算机控制，装置将快速自动改变变频输出，始终保持油井的最高产量、最节能的方式运行，完全解决油田生产中的以上问题，大大的降低人工的劳动强度、降低生产成本，实现油田的经济运营，自动化运行。

1 抽油机力矩直接控制节能装置工作原理

MCS100 型系列抽油机力矩直接控制节能装置是针对油田抽油机的特殊情况和需求，采用当前国际上最先进的DTC 交流电机控制理论，为油田专门开发的。电机的直接转矩控制（DTC）理论最先由德国鲁尔大学Depenbrock 教授于1985 年提出。这是交流电机调速理论继矢量控制之后的又一新的突破。

1.1 直接控制工作原理

电机直接转矩控制理论的核心在于转矩的“直接控制”，即直接计算电机的电磁转矩，通过开关优化选择控制IGBT，以达到快速实时控制电机输出转矩的要求。系统包括相电流和母线电压采集计算、速度调节器、定子磁链观测器、转矩计算、转矩幅值调节器、磁链幅值调节器、逆变器开关状态优化选择等主要部分。DTC 直接控制原理图如图1 所示。

利用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系中计算电机磁链和转矩，由磁链和转矩的Bang-Bang 控制产生PWM 信号，对逆变器的开关状态进行最佳选择，从而获得高效的动态性能1。

图1 DTC 直接控制原理图

控制时首先测出直流母线电压和定子电流，再按式（1）的坐标变换，将它们分解到方向，并在这两个方向计算出实际的磁链值和转矩值，作为反馈分别与磁通给定和转矩给定构成闭环，进行Bang-Bang控制，产生磁链和转矩请求信号，同时还要计算出磁链所在扇区位置，最终通过转矩请求、磁链请求、磁链扇区，使逆变器开关优化器发出优化的PWM 信号，驱动IGBT，输出电压达到控制电机的目的。磁链观测器计算公式如下式（2）所示，转矩观测器计算公式如下式（3）所示。

直接转矩控制理论在应用的初期，虽然遇到一些问题和质疑，但是其非常优异的动态特性和非常高的转矩响应特性得到了普遍认可。近几年随着这一技术的广泛应用和进一步完善，引起了更多人和厂家的关注。非常适合油田实际工况需求2。

1.2 综合节电率计算：

对节电率测试验收，采用直接在用电设备上安装三相有功电度表，比较在负荷相近的情况下、相同的运行时间内，市电与节电两种运行方式下的实际用电量，按照以下公式计算节电率。

W市电为等时市电运行的电度数；W节电为等时节电运行的电度数。

电机降压节能，主要节省的是无功功率，提高了功率因数。而有功节电主要节省的是电机自身损耗的一部分，且随着负载率的上升而锐减：负载系数＝0.1时，有功节电率为15%； ＝0.2 时为5.3%； ＝0.3 时仅为2.1%。按照国标GB124971995 的规定，综合节电为 P＋KQ· Q，其中KQ 为无功经济当量。

用型号为HIOKI-3165 三相多功能测试仪，在负荷相近的情况下、相同的运行时间内，测量市电与节电两种运行方式下的有功功率和无功功率等参数（这二者之间的测试至少间隔半小时），则可计算出其综合节电率如下：

2 抽油机力矩直接控制节能装置技术特点

AMCS100 型系列抽油机力矩直接控制节能装置是针对油田抽油机的特殊情况和需求，采用当前国际上最先进的DTC 交流电机控制理论，为油田专门开发的。它除具备通用变频在电机应用上的所有优点外，同时解决了以往抽油机节能产品中长期存在的问题，有着鲜明的特点和很高的节能效果，同时为进一步实现数字化油田的目标提供了基础条件。其主要特点如下：

1）高效节能

AMCS100 很好的适应了抽油机电机运行工况存在的转矩变化快、转矩变化范围大、平衡受井况变化影响等因素，把转矩作为被控量，根据电机的负载变化情况迅速调整电机的输出转矩，具有极高的动态响应特性。最高可输出300%的电机额定转矩，可解决普遍存在的装机功率大的问题。

2）所供即所需

AMCS100 很好的解决了抽油机出现发电态的问题，通过母线电压限制、转速跟踪、自动弱磁的方法，使电机不进入发电态，将多余势能直接转换为动能加以利用。AMCS100 可自适应负载力矩的变化，在0 ～300%范围内按需供给电机能量。

3）全面提高抽油机电机运行效率

AMCS100 大幅度提高了电机的功率因数，基本消除无功损耗。通过实际测试，功率因数达到0.98 以上，无功节电率不低于96%。

4）解决了传统设备有功节能不明显的问题

目前各类抽油机节能设备，对提高功率因数和无功节能上都取得了一定效果；但是有功节能效果很低，一般在5%以下，在抽油机冲次不变的情况下甚至出现负节能状态。

AMCS100 通过现场实测结果，根据井况不同有功节能效果在14%～31%之间，其综合节能效果明显高于其它节能设备。

5）方便的抽油机冲次调整功能

抽油机调节冲次时需要更换皮带轮，由于受皮带轮最小包角地限制，最低冲次只有4 次，而且费时费力。

通过AMCS100 用户可根据油井地层供液能力的变化很方便的调整电机的转速，使抽油机的冲次与地层供液能力达到合理的匹配，提高系统效率，达到节电的效果。

6）完整的电机保护及自检功能

AMCS100 具有完整的自检功能，可以即时的检测到电机运行过程中所有重要的信息，对异常变化会及时作出反应。在输入断相，输出断相、输出短路、过流、过压、超速等非正常情况下对电机提供全面完整的保护。

7）控制器与工频自动切换功能

AMCS100 实现了DTC 控制与工频的自动切换，用户也可以手动实现切换，这样很方便维护，并保证抽油机不间断的工作。

8）启动升速时间可设定，实现软启动控制

AMCS100 在电机启动升速时可根据油井的负载情况对电机的启动时间进行设定，实现了电机的软启动，有效的降低了启动时对电机及电网的冲击，延长电机使用寿命，降低机械磨损。

9）扩展灵活

考虑到未来数字化油井的趋势及生产过程集中控制的需要，AMCS100 预留了支持现场总线的扩展接口，可以很方便的将相关数据传输到上一级的管理系统中。可方便的加入下列扩展功能：

工况和工图的现场显示；

工况和工图的有线与无线传输；

专家系统建立。

可连接自动油、液面检测系统，自动调节抽油机的冲刺、启停，进一步提升综合节能效果。

专用的手持编程器，现场总线接口、可以带电热插拔、中文大屏幕液晶显示、界面友好、使用简单3。

3 现场应用

抽油机力矩直接控制节能装置于2009 年10 月正式投入使用，截止目前已推广应用于河南油田、长庆油田、新疆油田等国内多家油田，设备的性能和可靠性受到了用户的一致好评。在长庆油田目前已累计完成20多口采油井的节能改造，取得了较好的节电应用效果。

图（2）、图（3）为在长庆油田第三采油厂大343井用“HIOKI3169 电能平衡测试仪”测试的节能运行数据，其工频、节能平均10 min 的有功功率、无功功率对比测试记录。

图2 抽油机工频状态测试数据

图3 抽油机节能状态测试数据

抽油机力矩直接控制节能装置采用“HIOKI3169电能平衡测试仪”测试的节能运行节能效果对比见表1。

表1 抽油机力矩直接控制节能装置节能效果对比

从上表通过测试结果看，利用抽油机力矩直接控制节能装置的有功节电率为18.765%，无功节电率为98.78%，综合节电率为28.65%。由此可见抽油机力矩直接控制节能装置节电效果显著且仍在延续。

4 结 论

通过对抽油机力矩直接控制节能装置在长庆油田生产中的应用效果分析表明：利用抽油机力矩直接控制节能装置对抽油机进行节能应用，具有安装方便，适应性强，安全可靠，自动化程度高，操作简单，节电效果显著。因此该系列节电控制器必将随着油田开发程度的不断深入，获得更广泛的应用。

[1] 陈国呈. PWM 变频调速及软开关电力变换技术[M]. 北京：机械工业出版社，2001

[2] 王念旭. DSP 基础与应用系统设计［M］. 北京：北京航空航天大学出版社，2001

[3] 西安科瑞自动化有限责任公司. AMCS100PK 系列抽油机力矩直接控制节能装置说明书. 2009（资料）