淺談我國(guó)抽油機(jī)電控裝置的發(fā)展
1 引 言
抽油機(jī)（俗稱叩頭機(jī)）是石油開采中的必備設(shè)備。一般每個(gè)原油生產(chǎn)井都最小使用一個(gè)抽油機(jī)將蘊(yùn)藏在地下（或海水中）的石油通過(guò)抽油管抽出。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)陸海共有石油生產(chǎn)油井八萬(wàn)多個(gè)，也就是說(shuō)石油行業(yè)共有八萬(wàn)多臺(tái)抽油機(jī)在運(yùn)行。圖1給出了抽油機(jī)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖，其組成可分為抽油桿、拖動(dòng)電機(jī)、平衡重鐵塊、油梁、旋轉(zhuǎn)軸、凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳送皮帶、安裝支架八大部分。抽油機(jī)的每個(gè)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(gè)大的階段，所以導(dǎo)致了抽油機(jī)的負(fù)荷電流曲線如圖2所示。這就決定了抽油機(jī)的負(fù)載為一周期性變化的負(fù)載。
圖1 抽油機(jī)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖
圖2 抽油機(jī)負(fù)荷曲線圖
據(jù)截止2000年初的統(tǒng)計(jì)資料表明，我國(guó)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(fù)荷3057.4MW，生產(chǎn)用電單耗134.8KWh/t。據(jù)估計(jì)，中國(guó)石油天然氣股份公司平均每噸油成本中的電費(fèi)支出約占20~30%，地方油田生產(chǎn)成本中的電費(fèi)支出更大，電費(fèi)支出中抽油機(jī)的耗電量占相當(dāng)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(duì)抽油機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，可帶來(lái)相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。本文分析了抽油機(jī)電控裝置的發(fā)展現(xiàn)狀，進(jìn)而探討了其發(fā)展趨勢(shì)。
2 抽油機(jī)節(jié)能潛力巨大
過(guò)去大部分石油原油生產(chǎn)井的抽油機(jī)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(dāng)多的使用量）。即直接以交流電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，通過(guò)皮帶傳動(dòng)，凸輪機(jī)構(gòu)把電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為抽油桿的上 、下往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，而交流電機(jī)的控制僅是一個(gè)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(gè)特點(diǎn)：
圖3 過(guò)去抽油機(jī)的控制方案
第一，電機(jī)直接起動(dòng)，起動(dòng)電流大（一般異步電機(jī)起動(dòng)電流為額定電流的5~7倍）。由于抽油機(jī)的井位遠(yuǎn)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(dòng)中較大的電流引起供電電壓的下降，經(jīng)對(duì)延長(zhǎng)西區(qū)采17#石油生產(chǎn)井的實(shí)測(cè)，起動(dòng)過(guò)程中電網(wǎng)電壓降落達(dá)25~30V，因而對(duì)同一井區(qū)有數(shù)口采油井（或數(shù)臺(tái)抽油機(jī)）共用一個(gè)變壓器的場(chǎng)合，要求每一臺(tái)抽油機(jī)彼此之間延時(shí)一段時(shí)間起動(dòng)，從而盡可能減小電網(wǎng)電壓在起動(dòng)過(guò)程中的降落。
第二，缺相及過(guò)載無(wú)法保護(hù)，經(jīng)常造成電機(jī)燒壞。由于圖3所示控制方案無(wú)法監(jiān)測(cè)電機(jī)是否缺相運(yùn)行，所以當(dāng)電網(wǎng)缺相(如變壓器斷線，電機(jī)內(nèi)部斷線或接觸不良造成缺相)時(shí)，極易使電機(jī)燒壞。對(duì)過(guò)載來(lái)講，圖3所示線路亦沒(méi)有檢測(cè)與保護(hù)手段，經(jīng)常造成電機(jī)雖未缺相但過(guò)載運(yùn)行而燒壞，幾乎在各油田都有很多燒壞的抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
第三，功率因數(shù)很低。由于抽油機(jī)圖2所示的負(fù)荷曲線，加之電機(jī)為感性負(fù)載，這種方案在抽油機(jī)運(yùn)行中加到電機(jī)兩端的電壓為恒定的電網(wǎng)電壓，因而運(yùn)行中隨負(fù)荷的不同，功率因數(shù)很低，經(jīng)對(duì)延長(zhǎng)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(jìn)行實(shí)測(cè)，功率因數(shù)最低時(shí)為0.125，最高時(shí)僅0.54，所以耗電嚴(yán)重?，F(xiàn)以全國(guó)的8萬(wàn)多臺(tái)抽油機(jī)平均拖動(dòng)電機(jī)功率為15kW、生產(chǎn)時(shí)間平均負(fù)荷率按80%（實(shí)際拖動(dòng)電機(jī)平均功率大于15kW）計(jì)算，全國(guó)每年抽油機(jī)耗電不少于80000×15×365×24×0.8=8409600000=84.096×108KWh。若采取先進(jìn)的節(jié)能控制裝置，把運(yùn)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(fèi)0. 4元計(jì)算，則可直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益不少于84.096×108×0.4=3.36384×108元=336384000≈3.4億元。
3 抽油機(jī)電控裝置百花齊放、百家爭(zhēng)鳴
據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)石油開采成本為發(fā)達(dá)國(guó)家（如美國(guó)）的好幾倍，中國(guó)石油天然氣總公司從1996年到1998年的三年里通過(guò)先進(jìn)的用電管理技術(shù)，使中油集團(tuán)公司高峰電力得到有效控制，取得直接經(jīng)濟(jì)效益27.9億元。十五期間進(jìn)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(gè)熱點(diǎn)。作為石油生產(chǎn)中用電消耗大戶之一的抽油機(jī)節(jié)能受到了各油田的普通重視。對(duì)抽油機(jī)節(jié)電裝置的研究，引起了國(guó)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(yùn)的電控裝置，從大的方面來(lái)看可分為以下幾種：
3.1 直接起動(dòng)不帶保護(hù)方式的控制方案
抽油機(jī)的這種電控裝置原理如圖3所示，是過(guò)去多用的方案，到今國(guó)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(dòng)帶過(guò)載和缺相保護(hù)的方案
這種方案的原理電路如圖4所示。在抽油機(jī)運(yùn)行中加到電機(jī)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(dòng)、自動(dòng)控制起動(dòng)抽油機(jī)運(yùn)行的作用，它是通過(guò)對(duì)交流電機(jī)某一相電流的檢測(cè)來(lái)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，而缺相保護(hù)是通過(guò)對(duì)三相電壓的檢測(cè)來(lái)進(jìn)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(guò)載保護(hù)的兩種抽油機(jī)常用控制線路
圖4a)的工作過(guò)程可分析：當(dāng)電網(wǎng)三相缺一相時(shí)，B點(diǎn)電壓便不為零，晶體管VT1導(dǎo)通，進(jìn)行缺相保護(hù)，而當(dāng)電機(jī)過(guò)載時(shí)比較器A1翻轉(zhuǎn)，晶體管VT2導(dǎo)通，進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。該電路的缺點(diǎn)在于電流檢測(cè)僅用一相，若A、B兩相中有任一相過(guò)載（如電機(jī)內(nèi)部線圈短路），則不能進(jìn)行可靠地保護(hù)；另一方面在電機(jī)定子繞組為三角形接法時(shí)，既就是電網(wǎng)缺相，但由于正運(yùn)行的電機(jī)通過(guò)內(nèi)部繞組會(huì)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(jìn)行缺相保護(hù)；另一方面當(dāng)電網(wǎng)三相不平衡時(shí)，B點(diǎn)電壓有可能大于0.7V而進(jìn)行誤保護(hù)。
圖4b)利用缺相時(shí)要么接觸器JZ線圈斷電，要么繼電器J1線圈斷電，進(jìn)行缺相保護(hù)、過(guò)流保護(hù)應(yīng)用三個(gè)電流互感器,保護(hù)較圖4a)要可靠點(diǎn)，但當(dāng)電機(jī)定子繞組為三角形接線時(shí)，由于正運(yùn)行的電機(jī)通過(guò)內(nèi)部繞組會(huì)在所缺的這一相感應(yīng)出電壓來(lái)，所以有可能使缺相保護(hù)不可靠的問(wèn)題仍然存在。
3.3 同時(shí)應(yīng)用電流信號(hào)進(jìn)行缺相過(guò)載保護(hù)
這種方案仍然采用電機(jī)直接起動(dòng)，以三個(gè)電流互感器監(jiān)測(cè)電機(jī)三相電流,原理電路如圖5所示。該電路通過(guò)把電機(jī)運(yùn)行中三相電流通過(guò)電流互感器檢測(cè)出經(jīng)整流后變?yōu)橹绷鳎?dāng)缺相時(shí)，則整流后的波形Ud出現(xiàn)缺口，從而缺相保護(hù)電路動(dòng)作；當(dāng)過(guò)載時(shí)Ud值增加，超過(guò)過(guò)載保護(hù)門檻，過(guò)載保護(hù)電路動(dòng)作，這里要特別注意的是應(yīng)用該電路時(shí)要解決起動(dòng)時(shí)的過(guò)載（交流電機(jī)直接起動(dòng)電流為額定電流的5~7倍）保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作，同時(shí)起動(dòng)過(guò)程中缺相保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作，應(yīng)看到這種方案由于加到電機(jī)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(jìn)行有效的節(jié)能。
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