楊映洲 陳 龍 陳 帥 程文濤 姚建豪 朱東華

（1. 長慶油田第三采氣廠 內蒙古 鄂爾多斯）（2. 河南油田測井公司 河南 南陽）

0 引 言

目前，全國各大油田均進入了二次開采、三次開采階段，開采難度高，設備自動化運行程度低，大馬拉小車的現像時有發(fā)生，導致油田作業(yè)人員人工勞動強度大。由于油田機采井抽油機是一種大慣量變化負載，所采用的拖動設備是三相異步電機，普遍存在效率低，不便調速，上下沖程不可調，功率因數低等弊端。例如：一臺37 kW 電機的抽油機，其實際輸出功率不足15 kW，這不是一個偶爾現象，而是一個普遍問題。油田是產能大戶，同時也是耗電大戶，其中抽油機耗電占整個油田耗電的60%以上，因此降低抽油機的電耗，也就降低了原油的生產成本，減少了電費開支，因此抽油機節(jié)電是非常重要而且也非常必要的。因此抽油機能源的浪費及如何提高其產量的問題，已越來越得到人們的關注，并已有大量的科研機構和科研人員投入大量的精力、財力進行相關的研究與試驗，抽油機力矩直接控制節(jié)能裝置能夠較好的解決上述問題因而得到廣泛的認可和應用。

抽油機力矩直接控制節(jié)能裝置采用全閉環(huán)設計、節(jié)能增效顯著，本裝置是結合油田油井運行工況和變頻節(jié)能的技術開發(fā)而成，當油井產液量發(fā)生變化時，產能跟蹤中央微控制器采用雙16 位計算機控制，裝置將快速自動改變變頻輸出，始終保持油井的最高產量、最節(jié)能的方式運行，完全解決油田生產中的以上問題，大大的降低人工的勞動強度、降低生產成本，實現油田的經濟運營，自動化運行。

1 抽油機力矩直接控制節(jié)能裝置工作原理

MCS100 型系列抽油機力矩直接控制節(jié)能裝置是針對油田抽油機的特殊情況和需求，采用當前國際上最先進的DTC 交流電機控制理論，為油田專門開發(fā)的。電機的直接轉矩控制（DTC）理論最先由德國魯爾大學Depenbrock 教授于1985 年提出。這是交流電機調速理論繼矢量控制之后的又一新的突破。

1.1 直接控制工作原理

電機直接轉矩控制理論的核心在于轉矩的“直接控制”，即直接計算電機的電磁轉矩，通過開關優(yōu)化選擇控制IGBT，以達到快速實時控制電機輸出轉矩的要求。系統包括相電流和母線電壓采集計算、速度調節(jié)器、定子磁鏈觀測器、轉矩計算、轉矩幅值調節(jié)器、磁鏈幅值調節(jié)器、逆變器開關狀態(tài)優(yōu)化選擇等主要部分。DTC 直接控制原理圖如圖1 所示。

利用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系中計算電機磁鏈和轉矩，由磁鏈和轉矩的Bang-Bang 控制產生PWM 信號，對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳選擇，從而獲得高效的動態(tài)性能1。

圖1 DTC 直接控制原理圖

控制時首先測出直流母線電壓和定子電流，再按式（1）的坐標變換，將它們分解到方向，并在這兩個方向計算出實際的磁鏈值和轉矩值，作為反饋分別與磁通給定和轉矩給定構成閉環(huán)，進行Bang-Bang控制，產生磁鏈和轉矩請求信號，同時還要計算出磁鏈所在扇區(qū)位置，最終通過轉矩請求、磁鏈請求、磁鏈扇區(qū)，使逆變器開關優(yōu)化器發(fā)出優(yōu)化的PWM 信號，驅動IGBT，輸出電壓達到控制電機的目的。磁鏈觀測器計算公式如下式（2）所示，轉矩觀測器計算公式如下式（3）所示。

直接轉矩控制理論在應用的初期，雖然遇到一些問題和質疑，但是其非常優(yōu)異的動態(tài)特性和非常高的轉矩響應特性得到了普遍認可。近幾年隨著這一技術的廣泛應用和進一步完善，引起了更多人和廠家的關注。非常適合油田實際工況需求2。

1.2 綜合節(jié)電率計算：

對節(jié)電率測試驗收，采用直接在用電設備上安裝三相有功電度表，比較在負荷相近的情況下、相同的運行時間內，市電與節(jié)電兩種運行方式下的實際用電量，按照以下公式計算節(jié)電率。

W市電為等時市電運行的電度數；W節(jié)電為等時節(jié)電運行的電度數。

電機降壓節(jié)能，主要節(jié)省的是無功功率，提高了功率因數。而有功節(jié)電主要節(jié)省的是電機自身損耗的一部分，且隨著負載率的上升而銳減：負載系數＝0.1時，有功節(jié)電率為15%； ＝0.2 時為5.3%； ＝0.3 時僅為2.1%。按照國標GB124971995 的規(guī)定，綜合節(jié)電為 P＋KQ· Q，其中KQ 為無功經濟當量。

用型號為HIOKI-3165 三相多功能測試儀，在負荷相近的情況下、相同的運行時間內，測量市電與節(jié)電兩種運行方式下的有功功率和無功功率等參數（這二者之間的測試至少間隔半小時），則可計算出其綜合節(jié)電率如下：

2 抽油機力矩直接控制節(jié)能裝置技術特點

AMCS100 型系列抽油機力矩直接控制節(jié)能裝置是針對油田抽油機的特殊情況和需求，采用當前國際上最先進的DTC 交流電機控制理論，為油田專門開發(fā)的。它除具備通用變頻在電機應用上的所有優(yōu)點外，同時解決了以往抽油機節(jié)能產品中長期存在的問題，有著鮮明的特點和很高的節(jié)能效果，同時為進一步實現數字化油田的目標提供了基礎條件。其主要特點如下：

1）高效節(jié)能

AMCS100 很好的適應了抽油機電機運行工況存在的轉矩變化快、轉矩變化范圍大、平衡受井況變化影響等因素，把轉矩作為被控量，根據電機的負載變化情況迅速調整電機的輸出轉矩，具有極高的動態(tài)響應特性。最高可輸出300%的電機額定轉矩，可解決普遍存在的裝機功率大的問題。

2）所供即所需

AMCS100 很好的解決了抽油機出現發(fā)電態(tài)的問題，通過母線電壓限制、轉速跟蹤、自動弱磁的方法，使電機不進入發(fā)電態(tài)，將多余勢能直接轉換為動能加以利用。AMCS100 可自適應負載力矩的變化，在0 ～300%范圍內按需供給電機能量。

3）全面提高抽油機電機運行效率

AMCS100 大幅度提高了電機的功率因數，基本消除無功損耗。通過實際測試，功率因數達到0.98 以上，無功節(jié)電率不低于96%。

4）解決了傳統設備有功節(jié)能不明顯的問題

目前各類抽油機節(jié)能設備，對提高功率因數和無功節(jié)能上都取得了一定效果；但是有功節(jié)能效果很低，一般在5%以下，在抽油機沖次不變的情況下甚至出現負節(jié)能狀態(tài)。

AMCS100 通過現場實測結果，根據井況不同有功節(jié)能效果在14%～31%之間，其綜合節(jié)能效果明顯高于其它節(jié)能設備。

5）方便的抽油機沖次調整功能

抽油機調節(jié)沖次時需要更換皮帶輪，由于受皮帶輪最小包角地限制，最低沖次只有4 次，而且費時費力。

通過AMCS100 用戶可根據油井地層供液能力的變化很方便的調整電機的轉速，使抽油機的沖次與地層供液能力達到合理的匹配，提高系統效率，達到節(jié)電的效果。

6）完整的電機保護及自檢功能

AMCS100 具有完整的自檢功能，可以即時的檢測到電機運行過程中所有重要的信息，對異常變化會及時作出反應。在輸入斷相，輸出斷相、輸出短路、過流、過壓、超速等非正常情況下對電機提供全面完整的保護。

7）控制器與工頻自動切換功能

AMCS100 實現了DTC 控制與工頻的自動切換，用戶也可以手動實現切換，這樣很方便維護，并保證抽油機不間斷的工作。

8）啟動升速時間可設定，實現軟啟動控制

AMCS100 在電機啟動升速時可根據油井的負載情況對電機的啟動時間進行設定，實現了電機的軟啟動，有效的降低了啟動時對電機及電網的沖擊，延長電機使用壽命，降低機械磨損。

9）擴展靈活

考慮到未來數字化油井的趨勢及生產過程集中控制的需要，AMCS100 預留了支持現場總線的擴展接口，可以很方便的將相關數據傳輸到上一級的管理系統中。可方便的加入下列擴展功能：

工況和工圖的現場顯示；

工況和工圖的有線與無線傳輸；

專家系統建立。

可連接自動油、液面檢測系統，自動調節(jié)抽油機的沖刺、啟停，進一步提升綜合節(jié)能效果。

專用的手持編程器，現場總線接口、可以帶電熱插拔、中文大屏幕液晶顯示、界面友好、使用簡單3。

3 現場應用

抽油機力矩直接控制節(jié)能裝置于2009 年10 月正式投入使用，截止目前已推廣應用于河南油田、長慶油田、新疆油田等國內多家油田，設備的性能和可靠性受到了用戶的一致好評。在長慶油田目前已累計完成20多口采油井的節(jié)能改造，取得了較好的節(jié)電應用效果。

圖（2）、圖（3）為在長慶油田第三采油廠大343井用“HIOKI3169 電能平衡測試儀”測試的節(jié)能運行數據，其工頻、節(jié)能平均10 min 的有功功率、無功功率對比測試記錄。

圖2 抽油機工頻狀態(tài)測試數據

圖3 抽油機節(jié)能狀態(tài)測試數據

抽油機力矩直接控制節(jié)能裝置采用“HIOKI3169電能平衡測試儀”測試的節(jié)能運行節(jié)能效果對比見表1。

表1 抽油機力矩直接控制節(jié)能裝置節(jié)能效果對比

從上表通過測試結果看，利用抽油機力矩直接控制節(jié)能裝置的有功節(jié)電率為18.765%，無功節(jié)電率為98.78%，綜合節(jié)電率為28.65%。由此可見抽油機力矩直接控制節(jié)能裝置節(jié)電效果顯著且仍在延續(xù)。

4 結 論

通過對抽油機力矩直接控制節(jié)能裝置在長慶油田生產中的應用效果分析表明：利用抽油機力矩直接控制節(jié)能裝置對抽油機進行節(jié)能應用，具有安裝方便，適應性強，安全可靠，自動化程度高，操作簡單，節(jié)電效果顯著。因此該系列節(jié)電控制器必將隨著油田開發(fā)程度的不斷深入，獲得更廣泛的應用。

[1] 陳國呈. PWM 變頻調速及軟開關電力變換技術[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2001

[2] 王念旭. DSP 基礎與應用系統設計［M］. 北京：北京航空航天大學出版社，2001

[3] 西安科瑞自動化有限責任公司. AMCS100PK 系列抽油機力矩直接控制節(jié)能裝置說明書. 2009（資料）