魯義寬

（鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

基于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)挠吞锍橛蜋C(jī)節(jié)能研究

魯義寬

（鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

為提高油田抽油機(jī)的功率因子，降低抽油機(jī)能耗，提出了一種基于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)某橛蜋C(jī)節(jié)能控制方法。以油梁式抽油機(jī)為研究對(duì)象，介紹了其結(jié)構(gòu)并分析了電路無(wú)功補(bǔ)償基本原理。以DSP為核心搭建動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)電壓和電流數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換，通過(guò)控制繼電器并利用軟開關(guān)技術(shù)投切補(bǔ)償電容器，參考負(fù)載變化對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功功率進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。采用TMS320LF2407芯片搭建相應(yīng)控制系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后，配電系統(tǒng)的功率因數(shù)大幅度提升，降低了抽油機(jī)能量損耗。

抽油機(jī)；動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；節(jié)能控制；DSP

國(guó)內(nèi)油田和采油區(qū)大多數(shù)使用游梁式抽油機(jī)，該設(shè)備耗電量非常大，往往占整個(gè)作業(yè)區(qū)耗電量80%以上?？紤]到抽油機(jī)的交變工作荷載特性，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)在設(shè)計(jì)、選配過(guò)程中通常選取足夠的輸出轉(zhuǎn)矩，才能確保起動(dòng)轉(zhuǎn)矩以及減輕抽油機(jī)沖程負(fù)荷波動(dòng)。不過(guò)同樣需要解決一些問(wèn)題，例如：如果抽油機(jī)排量過(guò)剩，其會(huì)長(zhǎng)期運(yùn)行在無(wú)功抽取狀態(tài)，甚至?xí)霈F(xiàn)空泵、空抽狀態(tài)，導(dǎo)致無(wú)功抽取時(shí)間進(jìn)一步增加，負(fù)荷率進(jìn)一步降低，只有20%～30%。導(dǎo)致能源浪費(fèi)、功率因數(shù)低、效率低，采油區(qū)用電成本居高不下。

針對(duì)所述問(wèn)題，大多采油設(shè)備基于固定無(wú)功補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)功率補(bǔ)償。電容器可在一定程度上降低諧波的影響，但是補(bǔ)償設(shè)備參數(shù)的設(shè)置比較復(fù)雜，如果參數(shù)選擇不當(dāng)，會(huì)大大縮短電容器使用壽命。另外，若采用固定無(wú)功補(bǔ)償，負(fù)載變化太大容易出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償情況，進(jìn)一步影響設(shè)備正常運(yùn)行。

在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，本文提出一種油田抽油機(jī)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，并基于DSP設(shè)計(jì)相應(yīng)控制系統(tǒng)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證所述方法可以提高用電效率。

1 游梁式抽油機(jī)及無(wú)功補(bǔ)償原理

1.1 游梁式抽油機(jī)

游梁式抽油機(jī)種類較多，但是基本結(jié)構(gòu)和原理相差不大，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。通常情況下，抽油機(jī)主要包括游梁—連桿—曲柄機(jī)構(gòu)、減速裝置、動(dòng)力設(shè)備以及輔助裝置等。

游梁式抽油機(jī)工作過(guò)程可簡(jiǎn)要描述為：電動(dòng)機(jī)輸出軸與減速箱輸入軸聯(lián)接；電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)中間機(jī)構(gòu)減速處理后由減速箱輸出，輸出軸可帶動(dòng)曲柄作低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。曲柄通過(guò)連桿帶動(dòng)油梁后端上下擺動(dòng)。油梁前端配有驢頭，活塞上部液柱、抽油桿等載荷均通過(guò)懸繩器加載到驢頭上。驢頭和油梁一起上下擺動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)活塞的垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將原油抽出井筒。

圖1 油梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 無(wú)功補(bǔ)償原理

圖2 抽油機(jī)供電電路

抽油機(jī)常用供電電路如圖2所示。對(duì)于無(wú)功功率計(jì)算，本文以正弦交流電路為研究對(duì)象，對(duì)應(yīng)的電壓、電流瞬時(shí)值可表示為：

式(2)中P表示電阻元件消耗的有功功率；ip、iq分別表示各相電流分量。

另外，系統(tǒng)無(wú)功功率可表示為：

式(3)代表uiq項(xiàng)幅度變化。如果一個(gè)周期內(nèi)此項(xiàng)積分為0，則表明其并不消耗能量，儲(chǔ)能元件和電源之間只進(jìn)行能量交換。三相電路的無(wú)功功率可表示成各相電路的無(wú)功功率之和，即：

2 節(jié)能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

本文所述動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置以DSP為核心進(jìn)行搭建，可實(shí)現(xiàn)電流、電壓等數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換。通過(guò)繼電器控制，基于軟開關(guān)技術(shù)完成補(bǔ)償電容器投切；同時(shí)參考負(fù)載變化實(shí)時(shí)補(bǔ)償動(dòng)態(tài)無(wú)功功率。容抗計(jì)算過(guò)程如下。

2.1 電動(dòng)機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)

2.2 電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)

綜上所述，在選擇電容大小時(shí)，不應(yīng)該僅僅考慮功率因數(shù)，特別是諧波較大的情況。實(shí)際上，首先選擇不同數(shù)值的C，然后計(jì)算出對(duì)應(yīng)的P，最后經(jīng)比較后確定電容大小。

3 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)

目前無(wú)功補(bǔ)償控制器大多采用單片機(jī)系統(tǒng)搭建，往往集成信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、控制信號(hào)生成和輸出等功能，容易導(dǎo)致單片機(jī)負(fù)擔(dān)過(guò)重。另外，單片機(jī)硬件資源有限、實(shí)時(shí)性較差，很難適應(yīng)抽油機(jī)的復(fù)雜工況。

為解決此問(wèn)題，本文所選DSP芯片型號(hào)為TMS320LF2407。與51系列單片機(jī)相比，DSP芯片實(shí)時(shí)處理速度快、運(yùn)算量大，非常適合于一些工業(yè)領(lǐng)域中的高性能控制系統(tǒng)。從硬件資源考慮，TMS320LF2407集成了SPI模塊、SCI模塊、40個(gè)多功能復(fù)用輸入輸出引腳、A/D轉(zhuǎn)換器?？赏ㄟ^(guò)事件管理器觸發(fā)八通道A/D轉(zhuǎn)換器。同時(shí)DSP編程指令比較獨(dú)特，能夠簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)過(guò)程，縮短程序執(zhí)行時(shí)間，提升數(shù)據(jù)處理能力。因此，該芯片比較適合諧波分析和傅里葉運(yùn)算。

靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的電容器投切執(zhí)行元件多采用接觸器。其存在一些弊端，包括投切過(guò)程瞬時(shí)電壓過(guò)大、沖擊電流大、噪聲較大、觸頭易燒壞甚至熔焊。另外，投切過(guò)程比較耗時(shí)，無(wú)法滿足分級(jí)、分相、跟蹤、補(bǔ)償?shù)纫?。另外，無(wú)功功率補(bǔ)償系統(tǒng)多選用晶閘管作為執(zhí)行元件，取得了比較理想的補(bǔ)償效果，補(bǔ)償過(guò)程安全、快速。但是其邏輯觸發(fā)電路十分繁瑣，直接影響系統(tǒng)可靠性。

本文則選用了一種過(guò)零型固態(tài)繼電器，基于過(guò)零觸發(fā)技術(shù)，該繼電器具有零電流斷開、零電壓接通等特性。利用其實(shí)現(xiàn)電容器投切，可有效地避免電路中du/dt和di/dt的產(chǎn)生且完美兼容TTL、HTL、COMS等集成電路，大大提高了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 應(yīng)用實(shí)例

為評(píng)估整套裝置的節(jié)能效果，在搭建補(bǔ)償裝置后，并將其用于某油田采油隊(duì)。電容器總共4組，具體編碼方式為8421，容量依次為8、16、32、64kvar。試驗(yàn)中設(shè)定投切門限為14 kvar、投切間隔為0.2s、門限值設(shè)定為4kvar。補(bǔ)償前后分別在變壓器的低壓側(cè)進(jìn)行相關(guān)計(jì)量。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出：補(bǔ)償前后電流、無(wú)功功率和功率因數(shù)均發(fā)生了明顯變化。電流由94.10A 變?yōu)?7.80A；無(wú)功功率由61.41kvar變?yōu)?2.43kvar；功率因數(shù)則由0.419提高到0.917。

綜上所述，系統(tǒng)經(jīng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償后，整個(gè)裝置的功率因數(shù)有了大幅度的提升；補(bǔ)償后，電流有效值降幅同樣較大；說(shuō)明該動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置可以降低變壓器和輸電線的損耗，實(shí)現(xiàn)了配電系統(tǒng)無(wú)功功率的有效補(bǔ)償。補(bǔ)償后，電能質(zhì)量改善明顯，配電網(wǎng)電壓降大幅減小。

5 結(jié)語(yǔ)

油田抽油機(jī)周邊環(huán)境十分復(fù)雜、負(fù)荷比較特殊，因此如何解決其節(jié)能問(wèn)題一直比較棘手，傳統(tǒng)節(jié)能裝置往往無(wú)法取得理想效果。相對(duì)而言，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置可以適應(yīng)抽油機(jī)負(fù)載變化，可靠性高、測(cè)試簡(jiǎn)單、成本低。文中闡述了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法以及相應(yīng)控制系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明：配電系統(tǒng)的功率因數(shù)大幅度提升，降低了輸電線和變壓器損耗，節(jié)能效果比較理想。

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TE933.1

：A

：1671-0711（2017）09（下）-0060-03

內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目項(xiàng)目計(jì)劃編號(hào)：NJZY16495。