物联网在油气行业节能降耗的研究

何新宇 孙茜

摘  要：为解决电动机运行效率低及游梁式抽油机“大马拉小车”、能耗高、倒发电等问题，围绕抽油机能耗影响因素，以电能刚好满足抽油机的工作效率为原则，通过变频及能量回馈控制技术、双功率节能电机技术实现抽油机系统的参数优化，消除倒发电对电网的影响，使每一口井减少不必要的能源浪费。在保证供液量与产液量平衡的前提下，提高抽油机的采收率和节能效率，降低生产成本。

关键词：抽油机;节能降耗;变频;能量回馈

中图分类号：TE9                 文献标志码：A

1 背景

随着油田的持续开采，地下原油储量不断下降，国际油价持续下跌，节能降耗问题成为油田可持续发展的重中之重。游梁式抽油机作为目前油气开采过程中最大的耗电设备，在能源消耗方面主要存在2个问题。一方面，在实际生产过程中，游梁式抽油机采用的电动机的功率远远大于实际所需功率，导致电动机经常处于轻载状态，造成电动机资源的浪费;另一方面，在游梁式抽油机的一个工作循环中，抽油杆、抽油泵和油液柱下落释放的位能大部分转化为电能而回馈给电网，部分被吸收的电能因不稳定性易引起主回路母線电压升高，导致电网供电质量下降，功率因数降低。为此组建了专门的研发团队，致力于对智能控制技术进行深入研究，优化抽油机运行参数，突破传统抽油机节电方式，提高抽油机系统运行效率和电网功率因数，实现抽油机的节电降耗。

2 解决思路

2.1 理论依据

抽油机变频调速系统主要由采集传感器、远程控制单元（RTU）、测控软件、变频器等构成。前端采集设备将单井实时数据（油压、套压、三相电参数、动液面、冲程、冲次等）传至RTU，RTU（自带测控软件）通过功图分析，自动判识油井供采平衡关系，根据不同的油井供液状况计算出最佳冲次，从而自动调整电机频率和转速，使抽油机的冲次与井下供液实现同步， 保证满载运行， 达到提高泵效， 节能降耗的目的。

能量回馈控制装置由有源逆变器和电容器组成，可以实时测量再生发电能量的大小，并将发电能量的90%以上及时送回电网，使馈入电网的电能与电网电压同频同相同波形，使系统的功率因数接近于1，达到绿色、环保、节能的目的。

综合各方面因素，我们研发了基于变频调速和能量回馈控制的抽油机智能节电控制系统，上冲程时满负荷功率运行的省电型闭环控制方式和下冲程时再生电量的回馈电网方式搭配间抽的工作模式，实现抽油机的高效运行节能降耗。

2.2 技术创新

智能调参技术。RTU根据功图可自动判识油气井供采平衡关系，计算最佳冲次，通过变频器实现单井自动调节冲次、手动调节冲次和远程调节冲次3种控制模式。

动态平衡调节技术。自主研发的RTU可根据电参数和功图计算出抽油机当前的平衡状态，通过自动控制平衡电机对抽油机进行平衡调节，达到最佳运行状态，实现节约电能保护设备的目的。

智能间开技术。优化间开井的工作时间，制定科学的间开制度，确定启停抽时间，实现节能降耗，降低开采成本。结合单井的基础数据和生产实时数据，再综合当前油价、电价等客观因素，确定生产主频，当产量低于经济产量或抽空时，及时停抽，待液面恢复到经济产量之上并可持续生产，再启抽生产。

毫秒级联锁保护技术。通过对采集到的地面示功图和电参，诊断出单井工况类型，并将诊断结果反馈给采集控制终端（RTU），经过算法判断，实现单井的预警或控制，可达到本地、毫秒级联锁保护。

双功率节能电机技术。由电流互感器和电流采集电路，对电机工作时的电流信号进行衰减、滤波、整流，实时采集电流，RTU每隔5 min计算电流的平均值，根据平均电流进行大小功率之间的切换判断。如果电流小于小功率额定电流，就将电源切换到电机的小功率绕组;如果大于小功率的额定电流，就将电源切换到电机的大功率绕组。

电机双保护技术。一方面，在抽油机运行过程中，RTU实时监视主电机的电流、电压值，如果超过设定最大值一定时间（超限时间）时， RTU控制主电机供电断开，停止运行。另一方面，在抽油机工频运行过程中，当出现过载、过流、过压、短路、缺相等故障时，综合电机保护器将自动断开，对电机起保护作用。

柔性启动技术。把电机启动电流降低3～4倍，保护电机和机械设备。

3 应用效果

我们将配电、变频、能量回馈、数据采集4个部分合为一体，配合间抽的工作方式，在保证供采平衡的前提下，根据不同类型的抽油机以及不同情况下的动液面、吨液百米耗电和泵效等对单井实施节电。自主研发了抽油机智能节电综合测控柜，开发RTU内置智能控制芯片，实现本地智能调参、动平衡调节等功能，优化抽油机运行参数，研发电机能量回馈控制装置，消除回馈电能对电网的影响，提高电网功率因数，实现本地单井产量计算、杆柱应力分析、泵效组成分析、报警预警等功能，提高抽油机系统的运行效率。

委托华北石油管理局节能监测站进行了现场对比检测，通过对原配电柜和智能节电柜2个工况的检测数据对比，根据监测时间内抽油机井吨液百米耗电量的变化情况，平均综合节电12.54%，功率因数由0.2提高至0.7上下，抽油机平衡度达到0.85以上。

4 结语

随着油田的开发建设，对电力线路进行无功补偿将是我们接下来的研究方向，在充分考虑环境因素的前提下，未来将围绕单井、电网线路、变压器3个方面实施节电，达到节能降耗的目标，使油田生产的现代化管理水平达到一个新的高度，实现高水平、高效率、高运行。

参考文献

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