王業(yè)開

【摘要】原油開采最主要的設(shè)備之一就是游梁式抽油機。電能的損耗主要是由于配電系統(tǒng)的功率因數(shù)偏低，歸根結(jié)底是因為抽油機驅(qū)動電機在實際運行中負載率和工作效率不高而導(dǎo)致的。對單臺抽油機進行電容器的固定無功補償是目前通常采用的一種節(jié)能方式。本文提出了動態(tài)無功補償和進行Y—△轉(zhuǎn)換相結(jié)合的節(jié)能方案，主要是針對傳統(tǒng)無功補償方式的缺陷，利用實時檢測得到的系統(tǒng)負載率以及無功需求量來控制電容器的分組投切，實現(xiàn)了無功功率的“按需”補償，以此設(shè)計了動態(tài)跟蹤的無功補償裝置，取得了較為理想的補償效果。

【關(guān)鍵詞】抽油機節(jié)能 設(shè)計 裝置

1 引言

目前，應(yīng)用最普遍的石油開采機械之一就是抽油機，它的主要作用是完成采油任務(wù)，將原油從井底提升到地面上來。游梁式抽油機，在抽油機的各種類型中，占重要地位，約占油井人工舉升設(shè)備的95%，是油田使用最廣泛的一種舉升設(shè)備。此類設(shè)備是油田的耗電大戶，其用電量約占油田總用電量的40%，占油田總用電量的比例非常高，且總體效率僅在30%左右，效率很低，浪費大量電能，采油的成本因此而提高。所以，本文重點就游梁式抽油機的節(jié)能作為研究方向進行探討。目前我們通過游梁式抽油機的工作原理進行深入分析，研究可通過Y-△轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)電機電壓相和無功補償結(jié)合的裝置來提高了電機效率和功率因素，減小電機損耗，實現(xiàn)抽油機節(jié)能，減少了能源的浪費，這樣降低了電費成本。

2 游粱式抽油機的節(jié)能總體設(shè)計思路

同時絕大部分的游梁式抽油機拖動裝置都是交流三相異步電動機，其中鼠籠型異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、慣量小、運行可靠、維修少、堅固、制造成本低及可應(yīng)用于惡劣工作環(huán)境等優(yōu)點，使其作為油梁式抽油機動力驅(qū)動裝置，得到了廣泛的應(yīng)用。由于抽油機在工作時負荷匹配不合理，大多數(shù)電機處于輕載狀態(tài)，造成大量的電能浪費，系統(tǒng)效率低下。因此，本文采用了一種以無功補償為主，并和Y 一△轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)電機電壓相結(jié)合的裝置來實現(xiàn)抽油機的節(jié)能。通過對抽油機工作時的負載率的分析，確定電機是否處于重載狀態(tài)，實現(xiàn)了電機在啟動時和高負載時功率因素的提高；同時通過補償電容器組的投切來實現(xiàn)無功補償，從而達到抽油機的節(jié)能。

3 游粱式抽油機的節(jié)能設(shè)計

目前，缺少一種可靠性高，節(jié)能幅度大且成本低，又能提高原油產(chǎn)量的節(jié)能方法。針對目前實際現(xiàn)狀，考慮到當前的工人的技術(shù)素質(zhì)和管理水平以及現(xiàn)場環(huán)境條件，本次提出了一種Y—△轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)電機電壓并和以無功補償為主相結(jié)合的節(jié)能裝置，提高節(jié)能的可靠性，使得抽油機節(jié)能控制箱的使用和裝配相對變得簡單。

3.1 Y—△轉(zhuǎn)換調(diào)壓的節(jié)能原理

由于三相異步電動機的總損耗為：ΣP=P1-P2=Pfe+Pcu1+Pcu2+Pmac+Pad，其中，P為輸入電功率，P2為電機軸輸出功率。Pcu1為定子銅損耗，2 2Pcu1 = 3I1 R1式中I1為定子每相電流，R1為定子每相電阻值；Pcu2為轉(zhuǎn)子銅損耗，2 2Pcu2 = 3I′2 R′2 式中I′2、R′2為轉(zhuǎn)子每相的折算值；Pfe為電機的鐵芯損耗： 2fe mP =P1 50（f）β B50，式中P150 為鐵耗系數(shù)，其值范圍為1.05～2.50； β為頻率指數(shù)，隨硅鋼片的含硅量而異，其值范圍1.20～1.60；f為磁通交變頻率；Bm為鐵芯中磁通密度；Pmac為機械損耗。通常認為其是大小不變的常量。由于Bm∞φ m∞E1 ≈ U1，可知鐵損耗Pfe正比于電機端電壓的平方。

Pad為附加損耗，主要由于定、轉(zhuǎn)子有齒槽存在，當電機旋轉(zhuǎn)時磁通發(fā)生脈振而在定轉(zhuǎn)子鐵芯中產(chǎn)生附加損耗，其大小也與磁通密度大小成正比。

從上述可以看出，若要提高電機的運行效率η，則必須降低ΣP。而降低電機端電壓可以使鐵損耗大為降低，降低電機線電流，則可減少銅耗，從而使效率η 增加。

3.2 無功補償?shù)墓?jié)能原理及方案確定

游梁式抽油機的異步電機可看作電阻R 與電感L 串聯(lián)的電路并聯(lián)電容后電壓U與I的相位差變小了，即供電回路的功率因數(shù)提高了。此時供電電流I的相位滯后于電壓U，這種情況稱為欠補償。電C的容量過大，使得電流I的相位超前于電壓U，這種情況稱作過補償，此時會引起變壓器二次電壓升高，而且容性無功功率在線路上傳輸也會增加電能損耗。同時電壓升高還會增大電容器本身的功率損耗，使溫度上升，影響電容器的壽命。對電機進行無功補償，可以大大減少起動電流和運行電流，減少損耗，并且相關(guān)電氣設(shè)備溫度降低、噪音減少，可以延長電動機的使用壽命。

無功補償?shù)姆椒ê芏?，本次設(shè)計是從提高功率因數(shù)的方面來確定是否需要進行補償。在前面論述過，當前系統(tǒng)如果處于過補償狀態(tài)時，系統(tǒng)負載應(yīng)為容性。如果過補償容量在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，那么當前電機的功率因數(shù)絕對值應(yīng)該比期望的功率因數(shù)絕對值大，可以不采取任何措施；如果過補償容量超出系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，那么當前電機的功率因數(shù)絕對值肯定比期望的功率因數(shù)絕對值小，此時，則應(yīng)該切除當前補償?shù)碾娙菖c系統(tǒng)達到理想的功率因數(shù)為1的運行狀態(tài)時相比多補償?shù)娜萘俊Ｈ绻枰M行電容補償，那系統(tǒng)負載應(yīng)處在感性時。不需要進行無功功率補償?shù)那疤釛l件是當前功率因數(shù)值大于期望功率因數(shù)值；需要進行無功容量補償，說明當前功率因數(shù)小于期望功率因數(shù)。

在抽油機正常工作狀態(tài)下，會遇到大量的干擾，容易造成控節(jié)能制器頻繁發(fā)出補償與切除電容的指令。因此，為了避免電容的頻繁投切而產(chǎn)生投切震蕩，可以使控制器在軟件上采取連續(xù)多次計算結(jié)果取平均值的方法來避免電容的頻繁投切。具體方法如下：

首先確定一個負載率的上限基礎(chǔ)值，使得節(jié)能控制器發(fā)現(xiàn)負載率大于此值后執(zhí)行補償程序，若實際負載率小于此值后，則不執(zhí)行補償程序，因此可以認為這個負載率的基礎(chǔ)值為執(zhí)行補償程序的起點；其次，在確定實際負載率大于設(shè)定值后啟動補償程序，連續(xù)進行5 至10 次的測量計算，求得的平均值作為電容投切的指令；最后，不僅要關(guān)注實際負載率大于上限設(shè)定值，而且還要關(guān)注實際負載率小于下限設(shè)定值時的情況。

通過上述兩節(jié)的論述，介紹了游梁式抽油機節(jié)能裝置的節(jié)能原理，并提出了Y—△轉(zhuǎn)換控制和無功補償相結(jié)合的節(jié)能方案，為接下來的硬件及軟件設(shè)計做好了鋪墊。

4 結(jié)論與認識

通過對抽油機的負載特性較為詳細的分析以及對游梁式抽油機節(jié)能和無功補償進行深入研究，提出了以無功補償為主并結(jié)合Y-△轉(zhuǎn)換節(jié)能的控制策略，但仍有一些工作需要完善。

參考文獻

[1] 蕭南平.游梁抽油機節(jié)能新途徑和節(jié)能蓄能器[J].石油機械，19 9 6，2 4（7 ）