抽油机节能装置研究及应用

武伟伟黄毅王斌斌（.河南恩耐基电力技术有限公司；.沈阳华岩电力技术有限公司）

抽油机节能装置研究及应用

武伟伟1黄毅2王斌斌1
（1.河南恩耐基电力技术有限公司；2.沈阳华岩电力技术有限公司）

游梁式抽油机是我国油田开采主要设备之一，运行过程中电能利用率低，自动化运行程度不高，且抽油机“大马拉小车”现象严重，造成线路损耗高、线路压降高，油田供电质量低。抽油机六合一节能装置能够实现抽油机实时转速控制、再生能量高效回馈电网、实时精确补偿无功及远程控制、谐波治理、最优控制等功能。在不影响产油量的情况下提高抽油机运行效率、降低采油成本。在油田进行了现场运行及节能效果测试，能够有效稳定末端电压，提升油田供电电能质量，并且节能效果显著。

抽油机 节能装置 试验 供电质量 节能

我国油田多采用游梁式抽油机有杆泵方式采油，因运行工况和启动需求，配置电动机时功率往往偏大，造成油田采油设备“大马拉小车”现象非常严重。功率因数低，电能的浪费也很严重[1]。如何改进油田抽油机运行方式，提高油田采油电能利用效率，提高油田电网运行稳定性及供电质量和自动化水平，显得尤为重要。

1 系统设计

1.1 原理

抽油机专用六合一节能装置利用先进的电力电子技术和电力电子器件，通过多种试验实现抽油机实时转速控制、再生能量高效回馈电网、实时精确补偿无功及远程控制、谐波治理、最优控制等功能。在不影响产油量的情况下提高抽油机运行效率、降低采油成本，并且有效提高油田电网供电质量。

六合一节能装置中主回路原理如图1所示，由电网侧交直三相全控整流变换器和负载侧直交三相电压逆变器组成。

六合一节能装置控制系统采用TI德州仪器DSP控制芯片TMS320 F28335，外置AD7656采样芯片，采集电网及抽油机电动机运行电流信号、流过装置的电流信号及装置内部直流母线电压信号，通过优异的瞬时无功理论及空间矢量算法实时计算出有功功率、无功功率、谐波电流等电力参数，控制IGBT开关通断，实现四象限变频转速控制、再生能量高效回馈电网、精确补偿无功等功能。电网侧交直三相全控整流变换器采用PWM控制技术，实现网侧功率因数可调，一般设定为单位功率因数1运行；实现了能量双向流动高效回馈电网，可有效避免抽油机运行过程中处于再生制动状态时产生的能量过高，导致泵升电压损坏装置内开关器件和直流电容等现象，提高了装置的运行稳定性。

图1 六合一节能装置

电网侧交直三相全控整流变换器主要为三相电压型PWM整流器。采用直接电流控制策略实现PWM整流器直接对其各功率开关器件IGBT进行实时开断控制，开关频率可设定在5～15 kHz之间，从而使网侧输入电流正弦化；直接控制其输出电流幅值和相位，通常控制与系统电压相位相同，即实现单位功率因数1运行方式。由于开关频率高，输出电流平滑性好，装置与电网交换电流只含开关频率相关的高次谐波分量，容易在装置内部滤除，不污染电网系统[2]，对电网和其他用电设备不产生谐波污染，从而提高了电网的供电质量，减少对电网的公害。负载侧直交三相电压逆变器与电网侧交直三相全控整流变换器基本相同，在结构上完全对称，提高了设备运行稳定性。

1.2 功能特点

本结构主要特点如下：

1）抽油机通过六合一节能装置接至电网，电网侧交直三相全控整流变换器可以实时控制装置的运行功率因数，即相当于1台精致无功补偿装置STATCOM（又称SVG），起到无功补偿器的作用。一般采取控制功率因数在单位功率因数1的运行控制方式。

2）当电动机通过抽油机六合一节能装置进行调速运行时，电动机处于发电状态时产生的再生能量在实时PWM脉冲控制下，能够将能量高功率因数回馈到交流电网中，完成能量的双向流动。

3）装置电网侧交直三相全控整流变换器的直流母线电压可控并稳定，其稳定值不受电网电压波动的影响，可以为负载侧直交三相电压逆变器提供稳定的直流电压源，从而输出稳定的逆变交流电压，避免输出电压受电网电压波动影响引起电动机运行问题。

4）抽油机六合一节能装置中电网侧交直三相全控整流变换器和负载侧直交三相电压逆变器采取完全独立的控制方案，方便实现群井状态下公用直流母线的控制。即1台集中大功率电网侧交直三相全控整流变换器提供稳定的直流支撑环节，若干台小的负载侧直交三相电压逆变器连接抽油机，从而实现“一拖多”运行，实现装置的性能优化，降低成本。

1.3 远程监控系统

抽油机六合一节能装置在节能的基础上与数字化油田完美衔接。该系统建立在抽油机现场控制单元、通讯网络、采油厂管理平台上，结合油田管理系统，运用无线通讯技术将采油厂管理平台与抽油机现场进行对接和数据的传递，实现数字控制与信息管理。六合一节能装置监控系统架构如图2所示。六合一节能装置监控系统基于无线通讯、GSM网络和3G网络，构建全覆盖的数据采集、设备控制、音视频监控同步通讯系统结构，根据现场情况选择合适的通讯模式，实现远程监控。

图2 六合一节能装置监控系统架构

2 试验效果分析

为了验证装置的实际效果，制作了1台样机，在河南某油田进行了装机测试和实际运行，并对装置运行情况及技能效果进行了测试。现场运行装置如图3所示，测试数据见表1。其中，抽油机未运行前电网线电压平均值为349.8 V。

图3 现场运行装置

为了测定节能效果，根据《三相异步电动机经济运行》（GB/T12497—2006）规定，无功下降的效益用无功当量表示。测试结果取无功经济当量为0.03 kW/kvar。可计算出在相同产液量的前提下，节能效果达34.9%，节能效果理想，有效提升了油田采油设备能源利用率。

现场测试数据表明，抽油机直接工频运行时，功率因数低，测试时间段内平均功率因数为0.462，抽油机运行过程中所需无功功率大，造成油田输电线路和油田配电变压器损耗大，从而引起输配电设备上的电压降，导致末端电压低，在340 V左右，严重影响抽油机正常运行及油田电网供电质量。当抽油机接六合一节能装置上电运行时，测试时间段内平均功率因数达到0.98以上，实时功率因数高于0.97，有效降低了无功功率在线路上及变压器上的损耗，末端电压有效提高；在351 V左右，提升电压10 V左右，降低了损耗，提高了油田供电质量。通过六合一节能系统带动抽油机运行，与电网交换的交流电流有效值也大大降低，降低率达67.5%。从工频运行时36 A左右下降为抽油机六合一系统运行时12 A左右，无功功率基本降低为0，效果明显。

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.004.016

武伟伟，工程师，2012年毕业于华中科技大学，硕士，电力系统及其自动化专业，研究方向为大型电力电子技术在电力系统中的应用，E-mail：18838230718@163.com，地址：河南省郑州市惠济区文化路开元路动漫大厦C区1楼河南恩耐基电气有限公司，450045。