游梁式抽油机倒发电危害机理及治理方法研究

洪微微（大庆油田有限责任公司第六采油厂）

随着油田耗能持续增加，节能措施不断涌现[1]，但现有的大多数节能措施只是针对电动机低负荷运行造成电能浪费的情况，而抽油机浪费电能的另一个重要原因是抽油机拖动电动机发电[2]，即倒发电。

1 抽油机倒发电危害机理

1.1 倒发电特性

在抽油机的能量消耗构成中，使井液上升所消耗的能量，抽油杆上升、下降与井壁井液的摩擦所消耗的能量，以及机械传动摩擦所消耗的能量，都是抽油机工作时不可避免消耗的能量。抽油杆自重的升降所消耗的能量，从理论上可以减少到近乎为零，但实际使用中却不是这样。抽油机的动力是交流电动机，它具有“强”的恒转矩特性。当交流电动机转子的转速超过电动机同步转速时，曲柄净转矩为负[3]（图1），抽油机将拖动电动机运行，电动机处于发电状态向电网送电。在实际测试抽油机功率曲线（图2）中发现，抽油机井中交流电动机倒发电现象非常普遍，这也是造成抽油机地面系统效率不高的一个主要因素。

1.2 浪费电能机理

1.2.1 能量浪费

从能量转换的角度考虑，取于电网的电能由电动机转换为机械能，传送给抽油机，设此时转换效率为η1。当减速箱输入轴的转速大于电动机对它的驱动速度时，抽油机将一部分能量传送给电动机，由电动机再将这部分能量转换为电能反馈于电网，设此时的转换效率为η2。整个电能—机械能—电能转换过程的总效率η0=η1·η2，则整个转换过程有很大一部分能量被浪费掉[2]。

图1 抽油机井转矩特性曲线

图2 抽油机井电功率曲线

1.2.2 污染电网

由于电动机倒发电导致电动机转速不稳定，其所发电的相位及频率都不能达到电网的电能质量要求，从而会污染电网，造成电网供电不稳，对电动机运行产生不良影响，甚至损坏电动机，影响油田生产[4]。

2 消除倒发电现象技术方法

解决倒发电问题的方法有许多，总结近些年现场大量应用的节能产品的特性，主要有两类方法可以有效消除倒发电现象：通过控制曲柄速度，消除曲柄负转矩来避免发生倒发电现象；通过电动机做负功时的机械瞬态分离，消除动力反传来杜绝倒发电现象的发生。

2.1 速度控制技术

由倒发电产生特性可知，抑制或消除倒发电现象可通过减小或平衡电动机与曲柄转速的速度差的方式。目前最便捷的方式是提高电动机端的转速，保持电动机在超过同步转速时与曲柄转速同步，如变频控制[5]、断续供电[6]及索式柔性控制技术等，其中效果最明显的是索式柔性控制技术。各项技术的对比见表1。

2.1.1 柔性控制技术原理

运用运动状态传感器调控电动机在曲柄不同位置的速度与功率以及光杆在不同位置的速度与加速度，避免下行速度过快导致抽油机拖动电动机运行，通过实时调整电动机转速，改变抽油机的刚性拖动，使其功率变化平稳，从而避免倒发电现象。

2.1.2 节能效果

全厂累计实施109口井，其中老区节能技术改造94口，新投产井15口。从现场测试情况可以看出，措施后平均单井有功功率下降了0.85 kW，无功功率下降了9.49 kvar，有功节电率达到12.18%，综合节电率达到15.26%，系统效率提高了4.66个百分点，节能效果较为显著。采用柔性控制技术后效果对比见表2。

2.1.3 单井应用实例

以L6-2200井为例，根据现场测试情况分析可知，柔性技术控制状态下设备运行更为平稳。从一个冲程范围内有功功率的波动情况可以看出，工频状态下有功功率的波动范围从-4 kW到12 kW，波动幅度为16 kW，特别是工频状态下产生的负功功率对电网具有较大的污染，同时对机、杆、泵都有较大的冲击，将严重影响机械设备的使用寿命；柔性控制状态下功率波动幅度较小，仅为8.5 kW，功率运行较为平稳，同时消除了负功功率，避免了电网污染，既实现了节能又有益于设备使用。L6-2200井在工频状态及柔性状态下一个冲程（取12个点）的有功曲线见图3及图4。

图3 L6-2200井工频状态下一个冲程的有功曲线

图4 L6-2200井柔性状态下一个冲程的有功曲线

2.2 超越离合技术

采用只能单方向传输动力的机械机构，安装在游梁式抽油机的传动系统中，使电动机只能单向传递转矩，就像自行车的飞轮一样。当抽油机运行到下冲程中后期，电动机即将产生负转矩的瞬间，超越离合器内部的棘轮结构可实现脱开，完成瞬态超越，使抽油机的动力传送系统变为单向动力传动，动力传不过去，油杆下降的能量只能转化为平衡块的机械能[4]。这时电动机相当于空载运行，抽油机无法反拖电动机发电，消除了负功，杜绝了倒发电现象，同时提高了电动机和皮带的传动效率，可达到提高系统效率及节能的目的。

表1 速度控制技术对比

表2 柔性控制技术效果对比统计

表3 超越离合器效果对比统计

图5 安装前功率曲线

2.2.1 节能效果

全厂累计实施131口井。从现场测试情况可以看出，实施措施后平均单井有功功率下降了1.13 kW，有功节电率达到8.16%，综合节电率达到10.13%，系统效率提高了5.83个百分点，节能效果较为显著。安装超越离合器前、后的效果对比见表3。

2.2.2 单井应用实例

以L5-2414井为例，从功率与电流曲线看，峰值功率由55.10 kW下降到52.40 kW，下降了2.7 kW，消除了负转矩，具有明显超越效果，抑制了电动机倒发电现象。安装超越离合器前、后的功率曲线见图5及图6。

3 结论

1）实施柔性控制技术后电动机运行功率平缓，消减了峰值转矩，同时消除了工频状态下产生的负功功率，既实现了节能降耗，又避免了负功功率对电网的污染。

图6 安装后功率曲线

2）超越离合技术改变了抽油机原本的传动原理，通过单向转矩传送，解决了电动机倒发电的问题，彻底消除了负功，有效提高电动机的传动效率，实现了节能降耗。

3）抽油机运用速度控制技术和超越离合技术，均可以有效消除倒发电现象，同时降低了抽油机有功及无功功率，提高了系统效率，实现了节能目的。