高佩忠

(勝利油田管理局電力管理總公司，山東 東營267061)

0 引言

抽油機(jī)是用電能換取石油的機(jī)械，在能源問題日益嚴(yán)重的今天，如何以最少的電能開采出盡可能多的石油，是抽油機(jī)面臨的主要的問題。電機(jī)及外加裝置是抽油機(jī)節(jié)能的關(guān)鍵。許多針對抽油機(jī)特點的特種電機(jī)、節(jié)能裝置得到應(yīng)用，取得了一定的節(jié)能效果，但往往又會引起新的問題。抽油機(jī)系統(tǒng)是比較復(fù)雜的系統(tǒng)，抽油機(jī)的效率與生產(chǎn)工藝、電動機(jī)自身運(yùn)行效率和輸電線路上的損耗有關(guān)，因此，節(jié)能裝置的研制應(yīng)全面考慮這些問題，除此以外，還得考慮成本、維護(hù)等問題。

本文將深入分析普通三相異步電動機(jī)帶動的抽油機(jī)系統(tǒng)存在的問題，剖析其節(jié)能潛力，分析比較各種特種電機(jī)和節(jié)能裝置的節(jié)能運(yùn)行原理及優(yōu)缺點，并給出抽油機(jī)外加節(jié)能裝置的發(fā)展趨勢，為節(jié)能裝置的改進(jìn)或研制提供借鑒。

1 普通三相異步電動機(jī)帶動的抽油機(jī)系統(tǒng)節(jié)能潛力分析

普通三相鼠籠式異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、運(yùn)行可靠，在抽油機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。然而，電網(wǎng)直接供電的普通三相異步電動機(jī)的特點與抽油機(jī)的負(fù)載特性不能很好地匹配，導(dǎo)致抽油機(jī)的效率低下，這是抽油機(jī)節(jié)能潛力的根源。

1.1 普通三相鼠籠式異步電機(jī)特點

(1)起動電流非常大，可達(dá)到其額定電流的5～10倍，但起動轉(zhuǎn)矩較小，通常為額定轉(zhuǎn)矩的0.8～1.8倍［1］。

(2)運(yùn)行時需從電網(wǎng)吸收滯后的無功，用來建立電機(jī)內(nèi)的磁場，當(dāng)端電壓不變時，無功分量隨負(fù)載變化不大，但隨電機(jī)容量的增大而增大。

(3)空載或輕載時效率很低。

(4)機(jī)械特性較硬，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化波動不大。直接接到電網(wǎng)上運(yùn)行時，無法進(jìn)行調(diào)速。

1.2 抽油機(jī)負(fù)載的特點及對電動機(jī)的需求

地下油況千差萬別，且隨著時間改變，再加上氣候變化等因素，抽油機(jī)的負(fù)載特性比較復(fù)雜。即使對于同一口井，在不同的時間和氣候條件下，負(fù)載也不同［2－3］。盡管如此，抽油機(jī)負(fù)載還是有如下一些共性的特點:

(1)所需起動轉(zhuǎn)矩大。抽油機(jī)需要帶負(fù)載起動，起動時桿與井壁的摩擦力比較大。這就需要有大起動轉(zhuǎn)矩的電動機(jī)，但由于對起動轉(zhuǎn)速沒有要求，所以起動功率不一定大［4］。

(2)負(fù)載變化較大。抽油機(jī)的負(fù)荷呈周期性波動。在一個沖次內(nèi)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩交變，實測轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖1所示［2］，在下沖程，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為負(fù)。這就需要一種在變化負(fù)載的情況下，仍然有較高效率的系統(tǒng)，而且最好能夠?qū)⒇?fù)轉(zhuǎn)矩階段的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能返回到電網(wǎng)。

圖1 抽油機(jī)實測轉(zhuǎn)矩特性曲線

(3)沖次的頻率與產(chǎn)油量及抽油機(jī)壽命之間有很大關(guān)系［5］。不同的油井地下油況的不相同，沖次的頻率應(yīng)根據(jù)實際情況調(diào)整。如果地下油量較少，沖次頻率應(yīng)小一些，如果油量較多，沖次的頻率可以大一些。從維護(hù)抽油機(jī)械的角度看，沖次的頻率也是一個重要的需要考慮的方面。這就要求電機(jī)能夠根據(jù)實際需要調(diào)速。

1.3 普通三相異步電動機(jī)帶動的抽油機(jī)系統(tǒng)存在的問題

由上面的分析可知，如果采用電網(wǎng)直接供電的普通異步電動機(jī)帶動抽油機(jī)，必須選用較大容量的異步電機(jī)才能滿足抽油機(jī)負(fù)載大起動轉(zhuǎn)矩的需要，通常選用容量為正常運(yùn)行所需容量2～3倍的異步電機(jī)。而電動機(jī)在正常工作時卻處于輕載狀態(tài)。這就是所謂的大馬拉小車現(xiàn)象［6］，從而引發(fā)了起動電流、無功和鐵耗增大等問題。

相同極對數(shù)、額定電壓的異步電機(jī)，容量越大，所需的勵磁電流越大，從電網(wǎng)吸收的無功也越大，過多的無功會使得輸出電線路上的損耗增加，影響整體上電能的利用率;鐵芯的材料、磁密幅值和頻率不變，但容量大的異步電機(jī)的鐵芯體積大，所以總的鐵耗大。

由電網(wǎng)直接供電的普通異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)電壓的頻率決定，不能根據(jù)油況或生產(chǎn)工藝的需要調(diào)節(jié)沖次的頻率來節(jié)能。

異步電機(jī)帶動抽油機(jī)，本來就有無功和鐵耗的問題，那是不可避免的，但是大馬拉小車加劇了無功和鐵耗的問題，電網(wǎng)直接供電帶來了電機(jī)不能調(diào)速的問題，這些問題是系統(tǒng)節(jié)能潛力的重要根源。所以節(jié)能的思路主要有兩條:一是對電機(jī)進(jìn)行改良或選用其它類型的電機(jī)，改善大馬拉小車問題;二是通過外加裝置來補(bǔ)償無功、降低鐵耗、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

2 抽油機(jī)用的特種節(jié)能電機(jī)

對普通異步電機(jī)進(jìn)行改良或選用其它類型的電機(jī)，使電機(jī)在容量較小的情況下起動轉(zhuǎn)矩大、起動電流小，減少電機(jī)正常運(yùn)行時的無功及損耗，可以部分地解決大馬拉小車問題。目前主要有以下幾種抽油機(jī)特種節(jié)能電機(jī):

2.1 雙功率電機(jī)

相當(dāng)于將兩臺普通異步電機(jī)串聯(lián)，起動時2臺一起工作，以使起動轉(zhuǎn)矩增大，正常運(yùn)轉(zhuǎn)時甩掉一臺以降低電機(jī)功率，從而取得一定的節(jié)能效果。但電機(jī)的體積龐大，功率的級差太大，難以真正實現(xiàn)與抽油機(jī)負(fù)載合理匹配，也就難以真正實現(xiàn)高效運(yùn)行。

2.2 高轉(zhuǎn)差率異步電機(jī)

其結(jié)構(gòu)與普通的鼠籠式異步電機(jī)幾乎完全一樣，只是它的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條用電阻率較大的鋁合金等材料做成，因此轉(zhuǎn)子電阻較大，這樣既限制了起動電流，又使起動轉(zhuǎn)矩增大?？蛇x用較小容量的電機(jī)帶動抽油機(jī)，無功節(jié)電效果較好，功率因數(shù)有所提高。但其機(jī)械特性較軟，正常運(yùn)行時的轉(zhuǎn)子銅耗較大，電機(jī)易發(fā)熱，夏季因電機(jī)發(fā)熱燒壞的較多。

2.3 抽油機(jī)專用永磁同步電機(jī)

永磁同步電機(jī)不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)，又減少了定子銅耗，在穩(wěn)定運(yùn)行時沒有轉(zhuǎn)子銅耗，可以減小風(fēng)扇和相應(yīng)的風(fēng)摩損耗，其效率比同規(guī)格的異步電動機(jī)提高2%～8%［7－8］。因此永磁同步電機(jī)也被國家發(fā)改委選為“十一五”期間在石油行業(yè)重點推廣的一項技術(shù)。

永磁同步電機(jī)存在的不足是:電機(jī)選型不當(dāng)或負(fù)載狀況惡劣時，可導(dǎo)致其在運(yùn)行過程中發(fā)生永磁體去磁，導(dǎo)致其損壞;較難維護(hù)及維修;價格較高。

直接將電機(jī)接在電網(wǎng)上，上述的三類電機(jī)用在抽油機(jī)上均有各自的優(yōu)點和不足。沒有一種電機(jī)在各方面都是最優(yōu)，而且，因為不能調(diào)速，也不是系統(tǒng)最優(yōu)。所以，僅僅靠電機(jī)本身的特點來提高抽油機(jī)系統(tǒng)的效率是不現(xiàn)實的。要提高抽油機(jī)的效率，關(guān)鍵要提高系統(tǒng)的整體效率，并考慮其它諸如功率因數(shù)、諧波、可靠性及成本，使系統(tǒng)整體最優(yōu)，這就需要外加節(jié)能裝置。

3 外加節(jié)能裝置

為了補(bǔ)償電機(jī)所吸收的滯后的無功或使系統(tǒng)能夠調(diào)速來節(jié)能，通常使用外加裝置。抽油機(jī)用的外加節(jié)能裝置主要有:無功補(bǔ)償裝置、調(diào)壓節(jié)能裝置、通用變頻調(diào)速裝置、雙PWM變頻調(diào)速裝置。

3.1 無功補(bǔ)償裝置

普通的或經(jīng)改良的異步電機(jī)帶動抽油機(jī)負(fù)載，需要從電網(wǎng)上吸收無功來進(jìn)行勵磁，無功電流在輸電線路上造成損耗，影響系統(tǒng)的效率，必須進(jìn)行無功補(bǔ)償。

無功補(bǔ)償裝置種類很多，最常用的是投切電容器，由于電容器容值存在級差，不可能實現(xiàn)無功的無級補(bǔ)償。靜止無功發(fā)生器(SVG)也是一種無功補(bǔ)償?shù)难b置，主要是由全控電力電子器件構(gòu)成。其動態(tài)性能較晶閘管投切電容器更高，而且可以實現(xiàn)無級補(bǔ)償。但其成本較高，功能單一。

3.2 交流調(diào)壓節(jié)能裝置

交流調(diào)壓節(jié)能裝置由雙向晶閘管構(gòu)成。普通異步電機(jī)帶動抽油機(jī)負(fù)載，在正常運(yùn)行時處于輕載狀態(tài)，通過交流調(diào)壓裝置降低其端電壓可實現(xiàn)節(jié)能。

不改變頻率f，只降低電機(jī)端電壓有效值U，由式(1)知，電機(jī)的氣隙主磁通Φm將下降。Φm下降，頻率不變，則鐵耗下降，所以降低端電壓可以使異步電機(jī)的鐵耗下降。

主磁路的磁化曲線如圖2所示，在磁化曲線的非線性段(BC段)，隨著Φm的下降，勵磁電流Im下降地較快;當(dāng)進(jìn)入磁化曲線的線性段(OC段)，隨著Φm的下降，Im與之呈線性關(guān)系下降。降低端電壓，氣隙主磁通下降，勵磁電流減少。從額定電壓剛開始降壓時，勵磁電流減少地較多。

圖2 異步電機(jī)的磁化曲線

圖3 異步電機(jī)等效電路

綜上，在輕載降壓的過程中，鐵耗總是在下降，轉(zhuǎn)子銅耗總是在上升，而定子銅耗則是先降后升。應(yīng)有一個最佳的降壓值，在這個電壓下，電機(jī)的損耗最小。文獻(xiàn)［9］指出，最佳降壓值與負(fù)載率有直接的關(guān)系，并且給出了這一關(guān)系。

但是，晶閘管交流調(diào)壓節(jié)能裝置有如下不足:(1)輸入和輸出特性較差，從電網(wǎng)吸收無功且引起較嚴(yán)重的諧波污染，電機(jī)的端電壓波形已非正弦，有較多的諧波分量，這些諧波分量容易增加電機(jī)的損耗，增大轉(zhuǎn)矩脈動，不利于抽油機(jī)的效率提高和可靠運(yùn)行;(2)調(diào)速范圍有限，不能用來減少沖次、通過改善工藝而達(dá)到節(jié)能目的;(3)文獻(xiàn)［9］雖然給出了最佳降壓值與負(fù)載率之間的關(guān)系，由于抽油機(jī)在一個沖次內(nèi)的負(fù)載率總是在變化，而且有負(fù)的負(fù)載率，晶閘管調(diào)壓裝置又無法隨著負(fù)載率的變化實時地進(jìn)行調(diào)壓，所以無法運(yùn)行于最佳電壓值，也就難以達(dá)到理想的調(diào)壓節(jié)能的效果。

3.3 調(diào)速裝置

合理選擇沖次頻率對于提高整個系統(tǒng)的效率，提高整個系統(tǒng)的壽命具有很重要的作用。而對于抽油機(jī)系統(tǒng)而言，一旦裝置安裝好，通過機(jī)械方面改變沖次頻率是很難的，只有通過調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變沖次，這就需要電機(jī)拖動系統(tǒng)能方便調(diào)速。

隨著IGBT等全控電力電子器件的成熟及廣泛應(yīng)用，由二極管不控整流+PWM逆變構(gòu)成的通用變頻器(如圖4所示)在抽油機(jī)中得到應(yīng)用，它不僅可以帶動異步電機(jī)，而且可以帶同步電機(jī)。除可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，滿足抽油機(jī)系統(tǒng)改變沖次的需要外，還將帶來如下好處:(1)電機(jī)的損耗將減少。對于異步電機(jī)，其轉(zhuǎn)子銅耗基本不變，鐵耗減少，定子銅耗也將基本不變，所以系統(tǒng)的損耗要比額定狀態(tài)時小。對于同步電機(jī)定子銅耗基本不變，而鐵耗將減少;(2)可以選用小容量的普通異步電動機(jī)，改善大馬拉小車現(xiàn)象。使用變頻器，可以使異步電動機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩起動，而普通異步電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩一般為其額定轉(zhuǎn)矩的2倍左右，所以選用較小容量的普通異步電動機(jī)就可以滿足抽油機(jī)大起動轉(zhuǎn)矩的要求［10－11］。

圖4 通用變頻器交流調(diào)速系統(tǒng)

通用變頻器的前級是由二極管構(gòu)成的不控整流器，雖然成本低，可靠性高，但帶來了一些問題:(1)輸入功率因數(shù)差，輸入電流的諧波含量多，對電網(wǎng)容易產(chǎn)生諧波污染;(2)功率只能夠單向流動，不能將抽油機(jī)下沖程發(fā)出的電能送到電網(wǎng)上去，必須有直流母線放電環(huán)節(jié)來限制直流母線電壓的升高，而直接接到電網(wǎng)上的異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)則可以將下沖程電機(jī)發(fā)出的電能送到電網(wǎng)上去，從能量回饋的角度上來講，通用變頻器使系統(tǒng)的效率降低;(3)成本較高。

使用通用變頻器帶動抽油電機(jī)已能解決調(diào)節(jié)沖次頻率的問題，也解決了大馬拉小車的問題，但又帶來了新的問題，制約著它在抽油機(jī)上的廣泛應(yīng)用。由PWM整流器+PWM逆變器構(gòu)成的雙PWM變頻器(如圖5所示)則可以很好地克服它的不足。

圖5 雙PWM變頻器交流調(diào)速系統(tǒng)

雙PWM變頻器除了具有通用變頻器的所有優(yōu)點外，還具有如下優(yōu)點:(1)可實現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，也可實現(xiàn)超前或滯后功率因數(shù)運(yùn)行，起到SVG的功能;(2)輸入電流接近正弦，THDi可以控制在5%以內(nèi);(3)能量可以雙向流動，能夠?qū)㈦姍C(jī)在下沖程中發(fā)出的電能回饋到電網(wǎng);(4)對電網(wǎng)電壓的波動、不平衡等異常情況有一定的適應(yīng)能力，由于是可控整流，通過合理地控制，可在電網(wǎng)電壓波動及不平衡時仍能得到一個穩(wěn)定的直流電壓。這是通用變頻器所不能做到的，直接用電網(wǎng)供電的電機(jī)在電網(wǎng)電壓異常的情況下適應(yīng)能力也較差。

雙PWM變頻器的不足在于控制復(fù)雜、成本較高，但隨著電力電子器件及高性能微控制器成本的下降，雙PWM變頻器的成本與其節(jié)能效果相比，已不是問題。而且，雙PWM變頻器已成功應(yīng)用于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電和高性能的交流調(diào)速領(lǐng)域，可靠性及優(yōu)良的輸入輸出性能已得到驗證，所以，它是解決抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的起動、無功、諧波、調(diào)速、能量雙向流動等問題的一個具有優(yōu)勢的選擇。

總之，外加裝置的引入，可以提高抽油機(jī)的某一方面或某幾個方面的運(yùn)行性能。其中，雙PWM變頻器是最具有優(yōu)勢的外加裝置。

4 結(jié)論

抽油機(jī)的節(jié)能運(yùn)行不僅僅是電機(jī)的節(jié)能運(yùn)行，而應(yīng)是從電機(jī)損耗、沖次頻率、輸電線路損耗、引起電網(wǎng)的諧波污染和能量回饋等諸多方面綜合考慮。本文從以上方面對抽油機(jī)用的電動機(jī)和外加裝置的節(jié)能原理及存在的問題進(jìn)行了分析，并得到了如下結(jié)論:從效率最優(yōu)的角度上來看，雙PWM變頻器+永磁同步電動機(jī)的方案是最優(yōu)的;從效率兼顧成本的角度上看，雙PWM變頻器+普通變頻異步電機(jī)的方案是最好的選擇。

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