基于动态补偿的油田抽油机节能研究

鲁义宽

（鄂尔多斯职业学院，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

基于动态补偿的油田抽油机节能研究

鲁义宽

（鄂尔多斯职业学院，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

为提高油田抽油机的功率因子，降低抽油机能耗，提出了一种基于动态补偿的抽油机节能控制方法。以油梁式抽油机为研究对象，介绍了其结构并分析了电路无功补偿基本原理。以DSP为核心搭建动态无功补偿装置，实现电压和电流数据的采集与转换，通过控制继电器并利用软开关技术投切补偿电容器，参考负载变化对动态无功功率进行实时补偿。采用TMS320LF2407芯片搭建相应控制系统。试验结果表明，动态补偿后，配电系统的功率因数大幅度提升，降低了抽油机能量损耗。

抽油机；动态补偿；节能控制；DSP

国内油田和采油区大多数使用游梁式抽油机，该设备耗电量非常大，往往占整个作业区耗电量80%以上。考虑到抽油机的交变工作荷载特性，其驱动电机在设计、选配过程中通常选取足够的输出转矩，才能确保起动转矩以及减轻抽油机冲程负荷波动。不过同样需要解决一些问题，例如：如果抽油机排量过剩，其会长期运行在无功抽取状态，甚至会出现空泵、空抽状态，导致无功抽取时间进一步增加，负荷率进一步降低，只有20%～30%。导致能源浪费、功率因数低、效率低，采油区用电成本居高不下。

针对所述问题，大多采油设备基于固定无功补偿实现功率补偿。电容器可在一定程度上降低谐波的影响，但是补偿设备参数的设置比较复杂，如果参数选择不当，会大大缩短电容器使用寿命。另外，若采用固定无功补偿，负载变化太大容易出现过补偿情况，进一步影响设备正常运行。

在现有研究的基础上，本文提出一种油田抽油机动态补偿方法，并基于DSP设计相应控制系统，通过试验验证所述方法可以提高用电效率。

1 游梁式抽油机及无功补偿原理

1.1 游梁式抽油机

游梁式抽油机种类较多，但是基本结构和原理相差不大，其结构如图1所示。通常情况下，抽油机主要包括游梁—连杆—曲柄机构、减速装置、动力设备以及辅助装置等。

游梁式抽油机工作过程可简要描述为：电动机输出轴与减速箱输入轴联接；电机高速旋转运动经中间机构减速处理后由减速箱输出，输出轴可带动曲柄作低速旋转运动。曲柄通过连杆带动油梁后端上下摆动。油梁前端配有驴头，活塞上部液柱、抽油杆等载荷均通过悬绳器加载到驴头上。驴头和油梁一起上下摆动，可实现活塞的垂直往复运动，将原油抽出井筒。

图1 油梁式抽油机结构

1.2 无功补偿原理

图2 抽油机供电电路

抽油机常用供电电路如图2所示。对于无功功率计算，本文以正弦交流电路为研究对象，对应的电压、电流瞬时值可表示为：

式(2)中P表示电阻元件消耗的有功功率；ip、iq分别表示各相电流分量。

另外，系统无功功率可表示为：

式(3)代表uiq项幅度变化。如果一个周期内此项积分为0，则表明其并不消耗能量，储能元件和电源之间只进行能量交换。三相电路的无功功率可表示成各相电路的无功功率之和，即：

2 节能动态补偿

本文所述动态无功补偿装置以DSP为核心进行搭建，可实现电流、电压等数据采集和转换。通过继电器控制，基于软开关技术完成补偿电容器投切；同时参考负载变化实时补偿动态无功功率。容抗计算过程如下。

2.1 电动机处于运行状态

2.2 电动机处于发电状态

综上所述，在选择电容大小时，不应该仅仅考虑功率因数，特别是谐波较大的情况。实际上，首先选择不同数值的C，然后计算出对应的P，最后经比较后确定电容大小。

3 动态补偿控制器设计

目前无功补偿控制器大多采用单片机系统搭建，往往集成信号采集、数据处理、控制信号生成和输出等功能，容易导致单片机负担过重。另外，单片机硬件资源有限、实时性较差，很难适应抽油机的复杂工况。

为解决此问题，本文所选DSP芯片型号为TMS320LF2407。与51系列单片机相比，DSP芯片实时处理速度快、运算量大，非常适合于一些工业领域中的高性能控制系统。从硬件资源考虑，TMS320LF2407集成了SPI模块、SCI模块、40个多功能复用输入输出引脚、A/D转换器。可通过事件管理器触发八通道A/D转换器。同时DSP编程指令比较独特，能够简化程序设计过程，缩短程序执行时间，提升数据处理能力。因此，该芯片比较适合谐波分析和傅里叶运算。

静止无功补偿装置的电容器投切执行元件多采用接触器。其存在一些弊端，包括投切过程瞬时电压过大、冲击电流大、噪声较大、触头易烧坏甚至熔焊。另外，投切过程比较耗时，无法满足分级、分相、跟踪、补偿等要求。另外，无功功率补偿系统多选用晶闸管作为执行元件，取得了比较理想的补偿效果，补偿过程安全、快速。但是其逻辑触发电路十分繁琐，直接影响系统可靠性。

本文则选用了一种过零型固态继电器，基于过零触发技术，该继电器具有零电流断开、零电压接通等特性。利用其实现电容器投切，可有效地避免电路中du/dt和di/dt的产生且完美兼容TTL、HTL、COMS等集成电路，大大提高了动态补偿效果。系统硬件结构如图3所示。

图3 硬件系统结构

4 应用实例

为评估整套装置的节能效果，在搭建补偿装置后，并将其用于某油田采油队。电容器总共4组，具体编码方式为8421，容量依次为8、16、32、64kvar。试验中设定投切门限为14 kvar、投切间隔为0.2s、门限值设定为4kvar。补偿前后分别在变压器的低压侧进行相关计量。试验结果如表1所示。

表1 试验结果

通过试验结果可以看出：补偿前后电流、无功功率和功率因数均发生了明显变化。电流由94.10A 变为47.80A；无功功率由61.41kvar变为12.43kvar；功率因数则由0.419提高到0.917。

综上所述，系统经动态无功补偿后，整个装置的功率因数有了大幅度的提升；补偿后，电流有效值降幅同样较大；说明该动态无功补偿装置可以降低变压器和输电线的损耗，实现了配电系统无功功率的有效补偿。补偿后，电能质量改善明显，配电网电压降大幅减小。

5 结语

油田抽油机周边环境十分复杂、负荷比较特殊，因此如何解决其节能问题一直比较棘手，传统节能装置往往无法取得理想效果。相对而言，动态无功补偿装置可以适应抽油机负载变化，可靠性高、测试简单、成本低。文中阐述了动态补偿方法以及相应控制系统，试验结果表明：配电系统的功率因数大幅度提升，降低了输电线和变压器损耗，节能效果比较理想。

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TE933.1

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：1671-0711（2017）09（下）-0060-03

内蒙古自治区高等学校科学研究项目项目计划编号：NJZY16495。