淺談我國抽油機電控裝置的發(fā)展
1 引 言
抽油機（俗稱叩頭機）是石油開采中的必備設(shè)備。一般每個原油生產(chǎn)井都最小使用一個抽油機將蘊藏在地下（或海水中）的石油通過抽油管抽出。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國陸海共有石油生產(chǎn)油井八萬多個，也就是說石油行業(yè)共有八萬多臺抽油機在運行。圖1給出了抽油機的簡化結(jié)構(gòu)圖，其組成可分為抽油桿、拖動電機、平衡重鐵塊、油梁、旋轉(zhuǎn)軸、凸輪傳動機構(gòu)、傳送皮帶、安裝支架八大部分。抽油機的每個周期可分為上提抽油桿、下放抽油桿、從上提抽油桿轉(zhuǎn)換為下放抽油桿、從下放抽油桿轉(zhuǎn)換為上提抽油桿四個大的階段，所以導(dǎo)致了抽油機的負荷電流曲線如圖2所示。這就決定了抽油機的負載為一周期性變化的負載。
圖1 抽油機簡化結(jié)構(gòu)圖
圖2 抽油機負荷曲線圖
據(jù)截止2000年初的統(tǒng)計資料表明，我國石油企業(yè)電力系統(tǒng)總用電量327.22×108KWh，其中油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)用電206.03×108KWh,油氣田最高用電負荷3057.4MW，生產(chǎn)用電單耗134.8KWh/t。據(jù)估計，中國石油天然氣股份公司平均每噸油成本中的電費支出約占20~30%，地方油田生產(chǎn)成本中的電費支出更大，電費支出中抽油機的耗電量占相當大的比重，所以按總公司制定的低成本、高效益原則，保證最大限度的挖掘節(jié)電潛力，對抽油機的機械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)進行節(jié)能改造，可帶來相當可觀的經(jīng)濟效益。本文分析了抽油機電控裝置的發(fā)展現(xiàn)狀，進而探討了其發(fā)展趨勢。
2 抽油機節(jié)能潛力巨大
過去大部分石油原油生產(chǎn)井的抽油機采用圖1所示的結(jié)構(gòu)（在一些地方油田到今這種控制模式仍有相當多的使用量）。即直接以交流電機作為原動機，通過皮帶傳動，凸輪機構(gòu)把電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為抽油桿的上 、下往復(fù)式運動，而交流電機的控制僅是一個開關(guān)，如圖3所示。從該圖可見，這種控制方式具有以下幾個特點：
圖3 過去抽油機的控制方案
第一，電機直接起動，起動電流大（一般異步電機起動電流為額定電流的5~7倍）。由于抽油機的井位遠離供電主電網(wǎng)，且一般選取配電變壓器容量有限，所以起動中較大的電流引起供電電壓的下降，經(jīng)對延長西區(qū)采17#石油生產(chǎn)井的實測，起動過程中電網(wǎng)電壓降落達25~30V，因而對同一井區(qū)有數(shù)口采油井（或數(shù)臺抽油機）共用一個變壓器的場合，要求每一臺抽油機彼此之間延時一段時間起動，從而盡可能減小電網(wǎng)電壓在起動過程中的降落。
第二，缺相及過載無法保護，經(jīng)常造成電機燒壞。由于圖3所示控制方案無法監(jiān)測電機是否缺相運行，所以當電網(wǎng)缺相(如變壓器斷線，電機內(nèi)部斷線或接觸不良造成缺相)時，極易使電機燒壞。對過載來講，圖3所示線路亦沒有檢測與保護手段，經(jīng)常造成電機雖未缺相但過載運行而燒壞，幾乎在各油田都有很多燒壞的抽油機驅(qū)動電機。
第三，功率因數(shù)很低。由于抽油機圖2所示的負荷曲線，加之電機為感性負載，這種方案在抽油機運行中加到電機兩端的電壓為恒定的電網(wǎng)電壓，因而運行中隨負荷的不同，功率因數(shù)很低，經(jīng)對延長油礦西區(qū)采17#石油生產(chǎn)井在圖3所示線路控制下的功率因數(shù)進行實測，功率因數(shù)最低時為0.125，最高時僅0.54，所以耗電嚴重?，F(xiàn)以全國的8萬多臺抽油機平均拖動電機功率為15kW、生產(chǎn)時間平均負荷率按80%（實際拖動電機平均功率大于15kW）計算，全國每年抽油機耗電不少于80000×15×365×24×0.8=8409600000=84.096×108KWh。若采取先進的節(jié)能控制裝置，把運行效率及功率因數(shù)提高，使總節(jié)電率提高10%，則年可節(jié)約電能不少于84.096×108=84.096×108KWh。按每度電費0. 4元計算，則可直接產(chǎn)生經(jīng)濟效益不少于84.096×108×0.4=3.36384×108元=336384000≈3.4億元。
3 抽油機電控裝置百花齊放、百家爭鳴
據(jù)統(tǒng)計，我國石油開采成本為發(fā)達國家（如美國）的好幾倍，中國石油天然氣總公司從1996年到1998年的三年里通過先進的用電管理技術(shù)，使中油集團公司高峰電力得到有效控制，取得直接經(jīng)濟效益27.9億元。十五期間進一步提出降耗增效策略、降低石油開采成本及提高總體效益成為石油企業(yè)共同關(guān)注的一個熱點。作為石油生產(chǎn)中用電消耗大戶之一的抽油機節(jié)能受到了各油田的普通重視。對抽油機節(jié)電裝置的研究，引起了國內(nèi)電力電子及特種電源行業(yè)的普遍關(guān)注，到今在各油田正在中試或已投運的電控裝置，從大的方面來看可分為以下幾種：
3.1 直接起動不帶保護方式的控制方案
抽油機的這種電控裝置原理如圖3所示，是過去多用的方案，到今國有大油田幾乎已不在應(yīng)用，而地方油田（如縣管鉆采公司）中仍有一定應(yīng)用量。
3.2 直接起動帶過載和缺相保護的方案
這種方案的原理電路如圖4所示。在抽油機運行中加到電機定子上的端電壓仍為固定電壓，所以其功率因數(shù)仍然很低。該方案具有手動、自動控制起動抽油機運行的作用，它是通過對交流電機某一相電流的檢測來進行過流保護，而缺相保護是通過對三相電壓的檢測來進行的，具有圖4a)與b)所示的兩種線路。
a) b)
圖4 具有缺相與過載保護的兩種抽油機常用控制線路
圖4a)的工作過程可分析：當電網(wǎng)三相缺一相時，B點電壓便不為零，晶體管VT1導(dǎo)通，進行缺相保護，而當電機過載時比較器A1翻轉(zhuǎn)，晶體管VT2導(dǎo)通，進行過載保護。該電路的缺點在于電流檢測僅用一相，若A、B兩相中有任一相過載（如電機內(nèi)部線圈短路），則不能進行可靠地保護；另一方面在電機定子繞組為三角形接法時，既就是電網(wǎng)缺相，但由于正運行的電機通過內(nèi)部繞組會感應(yīng)出所缺的這一相電壓，因而晶體管VT1不一定能可靠導(dǎo)通進行缺相保護；另一方面當電網(wǎng)三相不平衡時，B點電壓有可能大于0.7V而進行誤保護。
圖4b)利用缺相時要么接觸器JZ線圈斷電，要么繼電器J1線圈斷電，進行缺相保護、過流保護應(yīng)用三個電流互感器,保護較圖4a)要可靠點，但當電機定子繞組為三角形接線時，由于正運行的電機通過內(nèi)部繞組會在所缺的這一相感應(yīng)出電壓來，所以有可能使缺相保護不可靠的問題仍然存在。
3.3 同時應(yīng)用電流信號進行缺相過載保護
這種方案仍然采用電機直接起動，以三個電流互感器監(jiān)測電機三相電流,原理電路如圖5所示。該電路通過把電機運行中三相電流通過電流互感器檢測出經(jīng)整流后變?yōu)橹绷?，當缺相時，則整流后的波形Ud出現(xiàn)缺口，從而缺相保護電路動作；當過載時Ud值增加，超過過載保護門檻，過載保護電路動作，這里要特別注意的是應(yīng)用該電路時要解決起動時的過載（交流電機直接起動電流為額定電流的5~7倍）保護不應(yīng)動作，同時起動過程中缺相保護不應(yīng)動作，應(yīng)看到這種方案由于加到電機定子側(cè)的電壓為固定值，所以其功率因數(shù)仍很低，不能進行有效的節(jié)能。
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