抽油機(jī)節(jié)能電控裝置綜述（2）

1）普通電動機(jī)的η及cosψ曲線陡峭；

2）CJT電動機(jī)的η及cosψ曲線平坦；

3）普通電動機(jī)在額定輸出功率點，η及cosψ較高，運行最經(jīng)濟(jì)；

4）在輕負(fù)載時，普通電動機(jī)的η及cosψ較低，CJT電動機(jī)的η及cosψ較高。

從前面的介紹可知，抽油機(jī)固有的設(shè)計及運行特點與現(xiàn)場實際運行工況相比，不可避免地出現(xiàn)了大馬拉小車的不合理匹配。抽油機(jī)維持在PH點的負(fù)載，在現(xiàn)場從未出現(xiàn)過，絕大部分負(fù)載在電動機(jī)額定功率（指輸出功率）20％～30％左右。對普通電動機(jī)而言，如此運行，其效率和功率因數(shù)特低。對CJT電動機(jī)來講，由于曲線平坦，η及cosψ在負(fù)載變化情況下，其值變化不大，從而相對來講其η及cosψ高于普通電動機(jī)，致使有功功率降低，功率因數(shù)提高。因此，就節(jié)能而言，抽油機(jī)匹配超高轉(zhuǎn)差電動機(jī)是合理的。當(dāng)然，轉(zhuǎn)差率的高低，機(jī)械特性的軟硬是否越高越好、越軟越好？對于這一問題，我們認(rèn)為新技術(shù)的成立與否是通過生產(chǎn)實踐驗證的。轉(zhuǎn)差率高低，機(jī)械特性軟硬均應(yīng)適度，否則對其實用性、可靠性帶來不利影響。

其三，軟的機(jī)械特性造就了抽油機(jī)懸點最大負(fù)荷降低，抽油泵上行速度緩慢，抽油桿的彈性變形減小，從而使抽油泵的填充系數(shù)增加，吸液量增大，每沖次來油量增加，使單位液耗電能降低。

大量的資料證明，抽油機(jī)匹配超高轉(zhuǎn)差電動機(jī)，具有顯著節(jié)能效果，而CDJT變極多速電動機(jī)在抽油機(jī)應(yīng)用上其節(jié)能效果則更上一層樓。它通過轉(zhuǎn)速的切換而直接導(dǎo)致功率的切換。如6型抽油機(jī)原匹配電動機(jī)18.5kW，更換為CDJT5C型變極多速電動機(jī)，其功率轉(zhuǎn)換為8/12/16kW三個功率等級，其裝機(jī)容量分別降低13.5％，35.14％，56.76％，額定電流分別降低15.4％，28％，31.4％。通過功率切換其節(jié)能效果非常明顯地展現(xiàn)出來。

5.2 作為調(diào)參（調(diào)沖）措施的應(yīng)用

油田在采油過程中，從工藝或某些特定條件的需要出發(fā)，要調(diào)整沖次，過去和現(xiàn)在均采用較笨重的辦法，由專業(yè)人員到現(xiàn)場拆換皮帶輪的辦法來實現(xiàn)。整個過程需停機(jī)進(jìn)行，執(zhí)行該任務(wù)費事、費時，勞動強(qiáng)度大。采用CDJT變極變速拖動裝置，則可由采油工在幾秒鐘中內(nèi)非常方便地按下按鈕就可實現(xiàn)調(diào)沖目的，且不影響生產(chǎn)。特別是有的油田需經(jīng)常調(diào)沖的區(qū)域采用該型產(chǎn)品，倍感方便，深受現(xiàn)場生產(chǎn)組織者的歡迎。

5.3 降低設(shè)備維修費用

CJT抽油機(jī)節(jié)能拖動裝置所具有的軟機(jī)械性能，改善了抽油機(jī)驢頭懸點負(fù)荷的不均衡性，特別是啟動瞬間及啟動過程，降低了對抽油機(jī)結(jié)構(gòu)件、傳動系統(tǒng)的沖擊，降低了設(shè)備的維修費用，延長了抽油機(jī)的使用壽命。

6 變頻調(diào)速節(jié)能

當(dāng)油井的地下滲透能力小于抽油機(jī)的泵排量時（絕大多數(shù)油井如此），為了提高抽吸效率，降低單位產(chǎn)量的能耗指標(biāo)，最直接的辦法是實行間抽。但是大多數(shù)的油井是不允許間歇性工作的，因為如果長時間停機(jī)的話，輕則會影響產(chǎn)油量，重則會使油井無法再開啟。這是因為：

1）含蠟量高或含鹽量高以及油的粘稠度高，且地處高寒地區(qū)的油井，如果間歇工作，會造成井口結(jié)蠟、結(jié)鹽或結(jié)油的后果，使油井無法再開啟；

2）對于注水油井，如果停止抽取，勢必會影響產(chǎn)油量，這將是得不償失的事，對于這類油井，就要采用其它的節(jié)能方法。

為了使抽油泵的排量與油井的滲透能力相適應(yīng)，可以通過改變抽油機(jī)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。抽油泵是一種柱塞泵，對電動機(jī)來講是一種恒轉(zhuǎn)矩性的負(fù)載，也即電動機(jī)的電功率與其轉(zhuǎn)速成正比。這里要提醒注意的一點是:有人一說到泵，就想當(dāng)然地認(rèn)為和風(fēng)機(jī)、水泵一樣屬于平方轉(zhuǎn)矩型負(fù)載了，或者說“近似于泵類負(fù)載”，這都是錯誤的。要知只有葉片式的風(fēng)機(jī)和水泵，在不計其靜扭矩時，有近似于平方轉(zhuǎn)矩的負(fù)載特性，也即：排量與轉(zhuǎn)速成正比，壓頭（或揚程）與轉(zhuǎn)速的平方成正比，而軸功率則與轉(zhuǎn)速的立方成正比。

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，低壓變頻器已是十分成熟的電氣產(chǎn)品，并且其價格也已經(jīng)大幅度下降，目前進(jìn)口變頻器的價格約為600～700元/kW。國產(chǎn)變頻器的價格在400～500元/kW，在抽油機(jī)上大量推廣變頻調(diào)速節(jié)能改造已經(jīng)成為可能。抽油機(jī)改用變頻器拖動以后有以下幾個好處：

1）可根據(jù)油井的實際供液能力，動態(tài)調(diào)整抽取速度，一方面達(dá)到節(jié)能目的，同時還可以增加原油產(chǎn)量；

2）由于實現(xiàn)了真正的軟起動，對電動機(jī)、變速箱，抽油機(jī)都避免了過大的機(jī)械沖擊，大大延長了設(shè)備的使用壽命，減少了停產(chǎn)時間，提高了生產(chǎn)效率；

3）大大提高了功率因數(shù)（可由原來的0.25～0.5提高到0.9以上），從而大大減少了供電電流，減輕了電網(wǎng)及變壓器的負(fù)擔(dān)，降低了線損，挖掘出大量的“擴(kuò)容”潛力。

但是，將變頻器用于抽油機(jī)拖動時，也有幾個問題需要解決，主要是沖擊電流問題和再生能量的處理問題，下面分別加以分析。

6.1 沖擊電流問題

如圖2（見第3期P183）所示，游梁式抽油機(jī)是一種變形的四連桿機(jī)構(gòu)，其整機(jī)結(jié)構(gòu)特點像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對于支架來說，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動力就可以使抽油機(jī)連續(xù)不間斷地工作。也就是說抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)取決于平衡的好壞。在平衡率為100％時電動機(jī)提供的動力僅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，則需要電動機(jī)提供的動力越大。因為抽油載荷是每時每刻都在變化的，而平衡配重不可能和抽油載荷作完全一致的變化，才使得游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)變得十分復(fù)雜。因此，可以說游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)就是平衡技術(shù)。

據(jù)筆者對某油田18口井的調(diào)查，只有1～2口井的配重平衡較好，絕大部分抽油機(jī)的配重嚴(yán)重不平衡，其中有10口井的配重偏小，另有6口井配重又偏大，從而造成過大的沖擊電流，沖擊電流與工作電流之比最大可超過5倍，甚至超過額定電流的3倍！不僅浪費掉大量的電能，而且嚴(yán)重威脅到設(shè)備的安全。同時，也給采用變頻器調(diào)速控制造成很大的困難，一般變頻器的容量是按電動機(jī)的額定功率來選配的，過大的沖擊電流會引起變頻器的過載保護(hù)，不能正常工作。

通過對抽油機(jī)曲柄配重塊的調(diào)整，可以使沖擊電流降到電機(jī)額定電流之內(nèi)，沖擊電流與正常工作電流之比在1.5倍以內(nèi)。這樣，選用與電機(jī)額定功率同容量的變頻器，甚至略小于電機(jī)額定功率的變頻器（要視抽油機(jī)電動機(jī)的負(fù)載率而定）都可以長期穩(wěn)定運行。

由于抽油機(jī)的起動扭矩往往很大，慣性也很大，所以要將變頻器的加減速時間設(shè)置得足夠長，一般為30～50s，才不致在起動時引起過載保護(hù)。

6.2 再生能量的處理問題

由于抽油機(jī)屬位能性負(fù)載，尤其當(dāng)配重不平衡時，在抽油機(jī)工作的一個沖程中，會出現(xiàn)電動機(jī)處于再生制動工作狀態(tài)（發(fā)電狀態(tài)），電動機(jī)由于位能或慣性，其轉(zhuǎn)速會超過同步速，再生能量通過與變頻器逆變橋開關(guān)器件（IGBT）并聯(lián)的續(xù)流二極管的整流作用，反饋到直流母線。由于交—直—交變頻器的直流母線采用普通二級管整流橋供電，不能向電網(wǎng)回饋電能，所以反饋到直流母線的再生能量只能對濾波電容器充電而使直流母線電壓升高，稱作“泵升電壓”。直流母線電壓過高時將會對濾波電容器和功率開關(guān)器件構(gòu)成威脅，為了保護(hù)電容器及功率開關(guān)器件的安全，所以，變頻器都設(shè)置了“OUD”保護(hù)——直流母線電壓高保護(hù)停機(jī)功能。

1）一種辦法是增大變頻器直流母線上濾波電容器的容量，將再生能量儲存起來，等電動狀態(tài)時再釋放給電動機(jī)作功。這種方法對節(jié)能有利，但是電容器的儲能作用是有限的；譬如，某抽油機(jī)電動機(jī)的平均功率以10kW計算，回饋功率以25％計算為2.5kW，在一個沖程中發(fā)電狀態(tài)為2～3s的話，則回饋能量A_d=6000J。若采用15kW的變頻器，其直流母線濾波電容的容量為2200μF，正常工作時直流母線電壓小于600V（U_s），“OUD”保護(hù)電壓（U_sm）為800V，那么A_s=CU_sm²－CU_s²=×2200×10^－6×(640000－360000)=308J，比起6000J的回饋能量來說小得多了。即使再增加10000μF的濾波電容，也只能儲能1400J，因此，在大容量或者負(fù)載慣量大的系統(tǒng)中，不可能只靠濾波電容器來限制泵升電壓。