王薇（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

抽油機(jī)井節(jié)能電控箱的綜合評(píng)價(jià)

王薇（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

抽油機(jī)井是大慶油田主要的采油方式，也是油田能耗的重要部分。抽油機(jī)配電箱是重要部件，目前電控箱種類較多，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用和技術(shù)部門的檢測(cè)，還存在一些問題，有必要對(duì)抽油機(jī)井配電箱進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為今后節(jié)能配電箱的應(yīng)用選擇提供依據(jù)。根據(jù)目前節(jié)能電控箱使用情況，可以從適應(yīng)性、節(jié)能效果、效益分析等幾方面對(duì)節(jié)能電控箱進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。通過綜合評(píng)價(jià)得出各節(jié)能電控箱適應(yīng)性，進(jìn)行優(yōu)化選擇以達(dá)到節(jié)能的目的。

抽油機(jī)井 配電箱 綜合評(píng)價(jià)

隨著油田開發(fā)的深入、生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，采油三廠抽油機(jī)井已達(dá)2334口，年耗電約1.9729×108k W h，占機(jī)采井年耗電的57.14%。抽油機(jī)配電箱是抽油機(jī)運(yùn)行的重要部件，目前在用電控箱種類較多，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用和檢測(cè)表明，部分井還存在一些問題，歸納起來主要有以下幾點(diǎn)：存在安全隱患，主要包括部件嚴(yán)重銹蝕，線路老化，滲漏風(fēng)雨等；部分元器件質(zhì)量較差，使用壽命短，故障率高，日常維修工作量大，影響油井開井運(yùn)行時(shí)間；隨著油田用電負(fù)荷的迅猛增加，使得油田電力負(fù)荷的無功功率增大，加之抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)基本上沒有配置無功補(bǔ)償裝置，難以滿足電動(dòng)機(jī)的無功需要，無功損耗大，不僅給生產(chǎn)管理帶來困難，還對(duì)機(jī)采井的節(jié)能降耗工作十分不利。因此，很有必要對(duì)在用抽油機(jī)井的配電箱進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為今后節(jié)能配電箱的更新選擇提供依據(jù)。

1 幾種節(jié)能配電箱技術(shù)介紹

1.1 調(diào)壓節(jié)能

供給抽油機(jī)配套電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的電網(wǎng)電壓是一定的，它是由專門的10k V或6k V高壓架空線路經(jīng)降壓變壓器后提供的，在這種情況下，電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流基本恒定。在輕載條件下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，定子電流中的有功分量減少，導(dǎo)致功率因數(shù)降低；而與定子電壓有關(guān)的各種損耗基本不變，致使效率也降低。此時(shí)，若能應(yīng)用抽油機(jī)調(diào)壓節(jié)電器，適當(dāng)降低電動(dòng)機(jī)的定子電壓，在保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，可使勵(lì)磁電流和有功損耗都能降低，從而使功率因數(shù)和效率都得到提高。目前采油三廠應(yīng)用的抽油機(jī)調(diào)壓節(jié)電器主要是Y-Δ轉(zhuǎn)換調(diào)壓和微電腦控制自動(dòng)調(diào)壓。

1.1.1 Y-Δ轉(zhuǎn)換調(diào)壓

1）工作原理：ZJK型智能節(jié)電控制器采用Y-Δ轉(zhuǎn)換調(diào)壓節(jié)電技術(shù)，其電動(dòng)機(jī)輸入電壓是在三角和星形（即380V和220V電壓）兩種模式下運(yùn)行，相當(dāng)于有級(jí)調(diào)壓，用繼電接觸器對(duì)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)定子繞組進(jìn)行切換來實(shí)現(xiàn)有級(jí)的調(diào)壓。當(dāng)負(fù)載率低于30%時(shí)，繼電接觸器可將原來為Δ形接法的抽油機(jī)配套電動(dòng)機(jī)的定子繞組切換為Y形接法，使定子電壓由380V降為220V，從而達(dá)到調(diào)壓節(jié)電的目的。

2）技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：抽油機(jī)啟動(dòng)后正常工作時(shí)，通過繼電接觸器，將抽油機(jī)定子繞組由三角形接成延邊三角形，即三角形-星形混和繞組，降低了相電壓及輸入功率，使電動(dòng)機(jī)在220V電壓運(yùn)轉(zhuǎn)。缺點(diǎn)：?jiǎn)?dòng)電壓不能按實(shí)際調(diào)節(jié)，只適用于正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)定子繞組按Y接線的異步電動(dòng)機(jī)；防盜性能差。

3）適用范圍。只適用于負(fù)載較輕的抽油機(jī)井。

1.1.2 微電腦控制電動(dòng)機(jī)節(jié)電器

1）工作原理：微電腦控制電動(dòng)機(jī)節(jié)電器是一個(gè)微電子相位、電流閉環(huán)跟蹤檢測(cè)、電子模塊自動(dòng)調(diào)壓變流供電的全自動(dòng)控制系統(tǒng)，能隨時(shí)自動(dòng)跟蹤負(fù)載的變化，并通過閉環(huán)反饋系統(tǒng)控制電子模塊的導(dǎo)通角自動(dòng)控制供電系統(tǒng)的電壓和電流，使電動(dòng)機(jī)在最小電耗下運(yùn)行，大大提高了電動(dòng)機(jī)的效率，達(dá)到節(jié)電效果。

2）技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：采用電流閉環(huán)反饋系統(tǒng)，可以在低電壓、小電流下頻繁啟動(dòng)，可根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)距的大小適當(dāng)調(diào)節(jié)啟動(dòng)電流和啟動(dòng)時(shí)間，使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流始終維持在設(shè)定范圍內(nèi)，避免了啟動(dòng)瞬間的電流沖擊和機(jī)械沖擊，完全可以取代自偶降壓和星角變換啟動(dòng)器；對(duì)電動(dòng)機(jī)的缺相、斷相、過流、過熱、過壓等均具有準(zhǔn)確可靠的保護(hù)功能，可取代電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器。缺點(diǎn)：電路板、繼電器、可控硅等元件易燒壞，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)燒毀；該電控箱有節(jié)電和旁路兩種狀態(tài)，設(shè)計(jì)理念為在節(jié)能電路故障情況下可用旁路啟動(dòng)，即非節(jié)能狀態(tài)運(yùn)行。但實(shí)際上即使啟用旁路，仍有電路問題出現(xiàn)。若再出現(xiàn)故障，因無配件只能更換電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。

3）適用范圍。適用于電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率大、功率利用率低的抽油機(jī)井。

1.2 斷續(xù)供電

1.2.1 工作原理

A D EC型抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)節(jié)能控制器采用斷續(xù)供電技術(shù)，通過在不同時(shí)段控制通電或斷電，來達(dá)到節(jié)能的目的。在抽油機(jī)需要功率的時(shí)間段，電動(dòng)機(jī)通電；在輕載或發(fā)電的時(shí)間段，電動(dòng)機(jī)斷電。斷電后，抽油機(jī)并不停機(jī)，而是憑慣性及勢(shì)能釋放繼續(xù)運(yùn)行[1]。

1.2.2 技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：解決了斷電后再通電時(shí)的電流沖擊問題，使得斷電后在通電時(shí)沒有沖擊電流；實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤工況的變化，根據(jù)不同的工況采取不同的節(jié)電方式，設(shè)計(jì)不同的節(jié)能控制策略，包括斷續(xù)供電，斷續(xù)供電和星角轉(zhuǎn)換相結(jié)合，斷續(xù)供電、星角轉(zhuǎn)換和電容動(dòng)態(tài)補(bǔ)償相結(jié)合，電容的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，電動(dòng)機(jī)星角自動(dòng)辨識(shí)切換五種控制方式。

缺點(diǎn)：防盜性能差。

1.2.3 適用范圍

適用于戶內(nèi)和各種戶外環(huán)境。對(duì)低溫有很高的適應(yīng)力，可在零下45℃的環(huán)境溫度內(nèi)安全可靠地使用。在油田戶外正常使用條件下，電動(dòng)機(jī)額定功率為75 k W及以下的游梁式抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)都能使用這種節(jié)能控制器。

1.3 智能軟起動(dòng)控制箱

1.3.1 工作原理

該控制箱采用目前最先進(jìn)的智能負(fù)載檢測(cè)與跟蹤技術(shù)，結(jié)合G SM/G PRS和藍(lán)牙油井?dāng)?shù)據(jù)處理技術(shù)和優(yōu)化匹配技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抽油機(jī)工況的變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的輸出功率，使電動(dòng)機(jī)的輸出功率與實(shí)時(shí)負(fù)載相匹配，即增寬電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的高效區(qū)間，使電動(dòng)機(jī)始終處于高效運(yùn)行狀態(tài)，從而有效減低銅損、鐵損；并改善電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、停機(jī)性能，達(dá)到最佳有功節(jié)電效果。

1.3.2 技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

1）自動(dòng)檢測(cè)負(fù)載狀態(tài)，經(jīng)過微處理器進(jìn)行比較和運(yùn)算，改變其輸出電壓和電流，和負(fù)載的狀態(tài)相平衡，而不改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)能的效果。

2）可保證電動(dòng)機(jī)連續(xù)平滑地啟動(dòng)，減少電耗和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)部分的損害，延長(zhǎng)了電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)設(shè)備的使用壽命，同時(shí)減少啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

3）通過紅外線遙控器來控制抽油機(jī)啟停，遙控距離在10∶1內(nèi)，同時(shí)具有手動(dòng)/自動(dòng)開機(jī)、關(guān)機(jī)功能，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程防盜及報(bào)警。

缺點(diǎn)：出現(xiàn)故障后電控箱箱門打不開，無法正?？刂仆C(jī)維修。

1.3.3 適用范圍

從節(jié)能角度出發(fā)，該設(shè)備可以應(yīng)用到所有非機(jī)電一體化的抽油機(jī)上。

1.4 變頻調(diào)速

目前采油三廠應(yīng)用的抽油機(jī)井變頻裝置廠家、種類較多，節(jié)能原理及使用方法基本上大同小異，因此，在評(píng)價(jià)抽油機(jī)變頻時(shí)僅以直控式抽油機(jī)柔性拖動(dòng)控制器為例，介紹油田抽油機(jī)井變頻的應(yīng)用情況。

1.4.1 工作原理

直控式抽油機(jī)柔性拖動(dòng)控制器變頻器采用IG BT模塊作為輸出的關(guān)鍵器件，采用交-直-交電壓型電路結(jié)構(gòu)，控制電路采用高性能的微處理器，實(shí)現(xiàn)快速和高精度的性能。變頻裝置具有“工頻、變頻、柔性拖動(dòng)”可選運(yùn)行功能，可以通過調(diào)節(jié)變頻裝置的頻率，改變抽油機(jī)井的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，從而調(diào)整抽油機(jī)井的抽汲參數(shù)及輸出功率，在滿足地層供液變化需要的同時(shí)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的[2]。

1.4.2 技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：可使電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)功率趨于平穩(wěn)，節(jié)能效果明顯；無沖擊運(yùn)行，降低峰值負(fù)荷；大幅度降低抽油機(jī)裝機(jī)功率；具有PI跟蹤功能，減少或抑制反沖電，實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)及再利用。

缺點(diǎn)：變頻調(diào)速控制柜在一定功率范圍內(nèi)可以起到節(jié)能作用，在抽油機(jī)的負(fù)載率超過80%，變頻調(diào)速系統(tǒng)非但起不到節(jié)能作用反而浪費(fèi)電能；變頻器產(chǎn)生的高次諧波對(duì)電網(wǎng)的污染嚴(yán)重，影響其他電器設(shè)備的安全運(yùn)行。

1.4.3 適用范圍

1）機(jī)泵工作參數(shù)已調(diào)到最小，仍然供液不足。2）電動(dòng)機(jī)功率利用率低于50%的抽油機(jī)井。

2 節(jié)能電控箱綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)目前采油三廠節(jié)能電控箱使用情況（見表1），我們從適應(yīng)性、節(jié)能效果、效益分析等幾方面對(duì)節(jié)能電控箱進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)（每千瓦時(shí)電按0.57元計(jì)算，電控箱預(yù)計(jì)使用壽命10年）。

表1 節(jié)能電控箱使用情況對(duì)比表

2.1 適應(yīng)性

由于ZJK型智能節(jié)電控制器和A D EC型斷續(xù)供電節(jié)能控制器節(jié)能關(guān)鍵元件及銅線易丟失，造成節(jié)能產(chǎn)品失效，微電腦控制電動(dòng)機(jī)節(jié)電器和Y FRJ-I-200A型智能軟起動(dòng)控制箱存在易燒電動(dòng)機(jī)、出現(xiàn)故障后電控箱箱門打不開、無法正?？刂仆C(jī)維修的問題。因此，在適應(yīng)性方面，直控式抽油機(jī)柔性拖動(dòng)控制器＞A D EC型斷續(xù)供電節(jié)能控制器＞Y FRJ-I-200A型智能軟起動(dòng)控制箱＞ZJK型智能節(jié)電控制器＞微電腦控制電動(dòng)機(jī)節(jié)電器。

2.2 節(jié)能效果

從表1可以看出，在節(jié)能效果方面，Y FRJ-I-200A型智能軟起動(dòng)控制箱＞直控式抽油機(jī)柔性拖動(dòng)控制器＞微電腦控制電動(dòng)機(jī)節(jié)電器＞A D EC型斷續(xù)供電節(jié)能控制器＞ZJK型智能節(jié)電控制器。

2.3 效益分析

從表1可以看出，在效益方面，ZJK型智能節(jié)電控制器＞直控式抽油機(jī)柔性拖動(dòng)控制器＞Y FRJ-I-200A型智能軟起動(dòng)控制箱＞微電腦控制電動(dòng)機(jī)節(jié)電器＞A D EC型斷續(xù)供電節(jié)能控制器。

綜合上述各方面分析，可以得出結(jié)論：直控式抽油機(jī)柔性拖動(dòng)控制器＞Y FRJ-I-200A型智能軟起動(dòng)控制箱＞A D EC型斷續(xù)供電節(jié)能控制器＞ZJK型智能節(jié)電控制器＞微電腦控制電動(dòng)機(jī)節(jié)電器。

3 認(rèn)識(shí)及建議

1）抽油機(jī)節(jié)能電控箱的安裝必須做到具體問題具體分析，每口抽油機(jī)井安裝什么樣的節(jié)能電控箱或補(bǔ)償多大容量的電容，必須在測(cè)試基礎(chǔ)上才能決定，否則節(jié)電效果不理想。

2）安裝抽油機(jī)節(jié)能電控箱后，抽油機(jī)井的平衡度將發(fā)生變化，平衡度有所降低。因此，安裝抽油機(jī)節(jié)能電控箱后，抽油機(jī)井必須調(diào)平衡。

3）當(dāng)抽油機(jī)井的平衡度小于50%且電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)最大電流達(dá)到或超過額定電流時(shí)，所有調(diào)壓節(jié)電技術(shù)都達(dá)不到節(jié)電的目的。

4）從目前油田的管理水平和工人的技術(shù)素質(zhì)考慮，抽油機(jī)節(jié)能電控箱愈簡(jiǎn)單愈好。

5）采用變頻調(diào)速控制抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)是最理想的節(jié)能方式，隨著大功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，針對(duì)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的特殊運(yùn)行情況，研制具有較高性價(jià)比的抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)專用變頻控制器是最有發(fā)展前途的油田節(jié)能產(chǎn)品。

[1]朱益飛.C D K A J遙控節(jié)能控制箱的研制與應(yīng)用[J].油氣田地面工程,1999(1):50-51.

[2]王鴻勛.采油工藝原理[M].北京:石油工業(yè)出版社,1989.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.03.015

王薇，2007年畢業(yè)于黑龍江大學(xué)，從事油田聚驅(qū)采出動(dòng)態(tài)分析工作，E-mail：weiwang001@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶油田采油三廠工程技術(shù)大隊(duì)三采室，163000。

2011-12-15)