油田抽油机智能节电器的设计与应用

陈 晓，王 伟，刘红强

（华北油田科达开发有限公司，河北任丘062552）

1 引言

据资料显示，中国电力消耗量仅次于美国，位居世界第二位，节能节电意识的淡薄造成了很大的资源浪费和财产损失。而中国吨油成本是国外吨油成本的数倍。尽可能地节能增效，同国际水平接轨，这是中国石油工业的必然趋势。在吨油成本中，电费支出约占生产成本的三分之一，而且随着油田的进一步开采，在稳产的基础上，节能、增效、增产、降耗，显得更为重要。抽油机作为油田最基本的设备，其节能降耗显得更有意义。以下重点分析油田抽油机智能节电器的设计与应用。

在石油工业中，油田开采一般要经历三个阶段：第一阶段，依靠油藏的自然能量将油层原油举升到地面上来；第二阶段，依靠人工能量将原油从油层中举升到地面（如机械举升或油田注水）；第三阶段，通过三次采油等非常规技术手段将残留在油藏中的原油置换出来。

目前油田使用的变频装置采用的一般是国外品牌，价格高、操作复杂，大力推广国产品牌、民族品牌，具有很强的社会经济意义。从国内外对比来看，国外抽油机电机已大量采用变频节能装置，节能效果显著，国内在此方面还处于落后地步，国家“十二五”规划中明确了变频技术改造的必要性和重要性，抽油机电机变频节能改造将迅速开展。本项目的抽油机电机变频节能系统技术先进，性能可靠，对各种油井适应性强，成本比国外产品大幅度降低，在油田大量推广具有很大的优越性，市场前景极为广阔。

2 常用电机节电产品的种类及优缺点

2.1 变频器

（1）工作原理

通过改变输出频率来改变电机转速，降低给电机的端电压从而降低电机的有功功率，大幅度节省电能。利用压力、流量等传感器来实现实时监控，通过泄载和反锁等形式来解决反电势问题。

（2）优点

节电率高；监测反锁速度快。

（3）缺点

故障率高，不能实现野外长期稳定的运行；由于降低了电机的转速，从而会影响原油产量；污染严重，对电网不利，由于高频载波达1MHz 以上，使电机产生高频啸叫，电机发热，从而会降低电机工作寿命。

2.2 自耦降压器

（1）工作原理

通过多抽头变压器、PLC、接触器等元器件组成自动电压跟踪系统，在上行时给电机80%－95%的端电压，在下行时通过PLC 控制来调节变压器抽头从而给电机10%－15%的端电压，通过周期降压来减小电机的实际有功功率，从而达到节能的目的。

（2）优点

有功节电率可达10%－15%；成本低。

（3）缺点

工作不稳定，由于抽头的频繁变化使相关的电气元件一直工作在开合状态，频繁承受大电流的冲击，易损；由于电机频繁承受阶梯电压的冲击，易损坏；适用性差。

2.3 电容补偿

（1）工作原理

通过电机的就地补偿来提高电机的功率因数，提高电网的利用率。

（2）优点

简单、成本低，能相应提高电网的利用率。

（3）缺点

不能减小有功损耗，从而达不到有功省电的目的。

3 抽油机智能节电器技术分析

3.1 组成

抽油机智能节电器由检测元件、传感器、芯片、可控硅调节单元和箱体等组成。其控制流程为：检测元件（检测相位差）→传感器→芯片（接收和发出指令）→可控硅（反馈电压）→电动机。该节电器原理框图如图1所示。

图1 智能控制原理

3.2 节电原理

由于抽油机运行时的平均功率因数约0.3，1 台45kW 电动机运行时的平均功率一般不超过10kW，电动机效率很低、无功损耗大，因此通过提高功率因数，降低无功损耗，提高电动机运行效率是可行的。提高电动机运行时的功率因数及运行效率可通过实时检测功率因数、控制电动机运行电压、提高运行效率来实现。可控硅具有交流电压导通角可控的功能，因此采用可控硅为执行元件，实现电动机电压的可控、可调，进而实现节能目的。

智能节电控制器通过检测元件对电动机运行时电流与电压的相位差进行检测，从而计算出电动机的功率因数，由功率因数的大小来判断电动机的最佳工作电压。功率因数低，说明载荷小，电动机负载率低，可通过单片机控制可控硅的导通角，提供电动机合适的运行电压，降低电动机自身损耗（包括铜损、铁损），避免了原来“大马拉小车”的浪费现象，同时也可以保证电动机提供足够的输出转矩，可以进行实时快速的动态调节，最大限度地减少轻载时的电能浪费，保证重载时提供给电动机充足能量。

图2 电机启动扭矩

表1 抽油机智能节电器在HD012 井的使用效果（2013年）（工作电压380V，45kW 电机，冲次2.7min－1）

控制可控硅在每个供电半弦波的开关，便可控制通过可控硅的电流。当启动电流越接近弦波的尾端时，所容许通过的电流越小，但当启动电流越接近弦波的开端时，所容许通过的电流则较大。根据上述原理，将2 个可控硅以反平行方向连接，将每个半弦波的起动点延迟，然后将延迟时间逐渐递减，使供给电动机的电压由较少的数值增至最大。由于电动机扭力和供电电压的开方成正比，因此可使启动扭力以无级方式运转，确保电动机及其负荷可缓冲地启动。

4 抽油机智能节电器的现场应用及分析

抽油机用新型智能节电器于2014年在山西煤层气分公司郑庄区块油井上 进行了试验，并进行了现场跟踪调查统计。HD011 井3 个测试周期的综合节电率分别为36.79%、37.29%、37.34%；HD013井3 个测试周期的综合节电率分别为44.63%、45.23%、44.78%。表一是在HD012 井的测试结果。

5 结束语

通过对某区HD011、HD012 和HD013 三口井的对比试验，抽油机用新型智能节电器综合节电率高，节电效果显著，性能稳定，能实现电机的过流、过压、短路、断相、过载等多重保护，使电机工作更稳定，安装方便，能在野外长期工作，值得大规模推广应用。

抽油机智能节电控制器成功研制与应用，解决了油田抽油机高能耗问题，延长了抽油机的使用寿命，具有广泛的使用价值和推广应用价值。

［1］左玉忠.抽油机智能节电器的研制及应用［J］.石油机械，2006，7：40－41、87.

［2］李中增，张国波，左玉忠，叶宏儒.抽油机用新型智能节电器的原理及应用［J］.石油矿场机械，2006，6：87－89.

［3］陆 涛，蓝 蓝.油田抽油机智能节电器的研制及应用［J］.才智，2012，17：56.