濮新宏，雷　鈞，王海軍，于　博

中國石油長慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心（陜西西安710018）

抽油機(jī)拖動裝置對比應(yīng)用分析

濮新宏，雷鈞，王海軍，于博

中國石油長慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心（陜西西安710018）

對伺服系統(tǒng)的工作原理及優(yōu)勢進(jìn)行了全面的剖析。通過現(xiàn)場測試，對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，在同等情況下，配有伺服控制系統(tǒng)的三相異步電動機(jī)的起動電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的三相異步電機(jī)，且調(diào)速范圍更寬，系統(tǒng)效率更高，并且可控性更好，可以通過控制，改變系統(tǒng)沖次，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)運行參數(shù)，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

抽油機(jī)；伺服技術(shù)；系統(tǒng)效率；節(jié)能

目前，抽油井在用的電機(jī)主要是三相異步電機(jī)，因電機(jī)的功率和效率特性，應(yīng)用過程中存在著無法自身客服的缺點。隨著油田管理要求的越來越精細(xì)、節(jié)能降耗形勢日益嚴(yán)峻，需要一種節(jié)能并有利于管理的電機(jī)以滿足油田高效開發(fā)的需求。在傳統(tǒng)的三相異步電機(jī)的基礎(chǔ)上配伺服電機(jī)控制系統(tǒng)便能夠很好的解決現(xiàn)有問題，并可以實現(xiàn)智能化控制［1］。

1　伺服系統(tǒng)工作原理及其優(yōu)勢

伺服電機(jī)控制系統(tǒng)是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過編碼器采集角度信息，按照控制命令的要求，對電機(jī)的功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、轉(zhuǎn)速非常靈活方便。三相異步電機(jī)作為執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。其主要特點是：在控制信號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；信號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當(dāng)信號消失，轉(zhuǎn)子能即時自行停轉(zhuǎn)。相較于普通電動機(jī)，配伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的電機(jī)主要存在以下優(yōu)勢：

1.1軟啟動方式

三相異步電動機(jī)的起動方法主要有直接啟動、傳統(tǒng)減壓啟動和軟啟動三種啟動方法。直接啟動，也叫全壓啟動。起動時通過一些直接起動設(shè)備，將全部電源電壓（即全壓）直接加到異步電動機(jī)的定子繞組，使電動機(jī)在額定電壓下進(jìn)行起動。直接起動最簡單，但是電動機(jī)繞組在點動力的作用下，會發(fā)生變形，可能引起短路進(jìn)而燒毀電機(jī)，同時會引起過大的啟動電流，造成線路電壓降增大。減壓起動是在起動時先降低定子繞組上的電壓，待起動后，再把電壓恢復(fù)到額定值。減壓起動雖然可以減小起動電流，但是同時起動轉(zhuǎn)矩也會減小。因此，減壓起動方法一般只適用于輕載或空載情況。軟啟動主要采用軟啟動器，可以控制電動機(jī)的電壓，使其在起動過程中逐漸升高，很自然的就限制了起動電流，變速箱和電動機(jī)的扭矩和輸入功率變化趨于平緩，大大降低了機(jī)械沖擊負(fù)載對設(shè)備造成的損傷，延長了設(shè)備使用壽命［2-3］。

1.2節(jié)能效果顯著

伺服控制實現(xiàn)了電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，使傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性有了顯著的改善，矢量控制大大改善了異步電機(jī)的動態(tài)控制性能，其基本控制原理是若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利用從靜止坐標(biāo)軸系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系之間的變換，則可以把定子電流中的勵磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量分解成兩個垂直的直流變量，d軸分量控制轉(zhuǎn)子磁通；在控制轉(zhuǎn)子磁通恒定的前提下，電機(jī)轉(zhuǎn)矩與定子電流的q軸分量成正比。從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制并分別進(jìn)行控制。這樣，通過坐標(biāo)變換重建的電動機(jī)模型就可等效為一臺直流電動機(jī)，從而可象直流電動機(jī)那樣進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)矩和磁通控制。通過控制d軸分量為零，則定子電流全部轉(zhuǎn)化為提供轉(zhuǎn)矩的q軸分量，實現(xiàn)了有用功率最大化、轉(zhuǎn)矩最大化，大大提高了系統(tǒng)的節(jié)能效果［4-5］。

1.3可控性好

1）可以通過合理控制運行參數(shù)，進(jìn)一步改變整個系統(tǒng)的工作性能。

抽油機(jī)系統(tǒng)工作效率為：

同時抽油機(jī)系統(tǒng)效率也可表示為：

式中：N總出為輸出有效功，kw·h/d；N地為地層能量所做功，kw·h/d；N光為光桿功率，kw·h/d；N電為電網(wǎng)平均輸給電機(jī)的功率，kw·h/d；qc為油井產(chǎn)液量，m3/d；Pt、Pc為井口油壓和套壓，MPa；H效為有效舉液高度，m；γ為油管內(nèi)混合液重度，kg；η為抽油機(jī)系統(tǒng)效率，%。

式中：h為停抽后沉沒度，m；q1為停抽后自噴產(chǎn)液量，m3/d；η井下為井下效率，%。

對于電動機(jī)而言，其扭矩、轉(zhuǎn)速和功率的關(guān)系為

式中：p為電動機(jī)的功率，kw·h/d；N為電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)/min；T為扭矩，kN。

式中：n為沖次，次/min；hi+1-hi表示示功圖第i單元厚度，m；li+1-li表示示功圖第i單元長度m；m表示將示功圖劃分為m個單元。

對于一油井，在抽油機(jī)工作過程中其套壓、井口油壓、和油管內(nèi)混合液重度是保持不變的，由式（3）可知，有效舉液高度也是不變的；由式（2）可知，系統(tǒng)效率η就只與qc、N電有關(guān)，且與油井產(chǎn)液量成正比，與電網(wǎng)平均給電動機(jī)的功率成反比，所以系統(tǒng)沖次增加時，也就意味著在相同的時間內(nèi)產(chǎn)液量和光桿功率也隨著增加，那么系統(tǒng)效率就會增加；所以我們可以通過改變系統(tǒng)沖次達(dá)到改變系統(tǒng)效率的效果。

2）智能工作模式。在一個完整沖次過程中實現(xiàn)快抽（上沖程快）慢下（下沖程慢）工作制度，該工作模式有助于液體充分進(jìn)入泵筒內(nèi)并且在上沖程過程中減少漏失量，可以提高泵效的同時進(jìn)一步節(jié)能。

由于伺服控制系統(tǒng)是一種智能控制系統(tǒng)，可以通過程序很方便的實現(xiàn)人機(jī)的交流。除了上述模式外還可以實現(xiàn)的在一個沖程內(nèi)某時段按照設(shè)定加速度或減速度運行、恒功率或恒扭矩工作模式、變功率或變扭矩運行模式等，要實現(xiàn)這些模式只需要安裝角位移傳感器即可。

2　現(xiàn)場測試結(jié)果及實驗數(shù)據(jù)分析

表1為不同電機(jī)在不同平衡狀態(tài)下的啟動數(shù)據(jù)，顯然，使用了軟啟動的三相異步電動機(jī)的起動電流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常啟動電機(jī)的電流，同時也能夠保證啟動扭矩在一定的可接受范圍內(nèi)，使電動機(jī)既能夠快速進(jìn)入正常工作階段，又能夠減少電動機(jī)的發(fā)熱、磨損功耗以及啟動時刻的供電電壓降。

表2為不同平衡狀態(tài)下抽油井單耗數(shù)據(jù)，在平衡狀態(tài)時，使用伺服控制系統(tǒng)的電機(jī)單耗比使用普通電機(jī)單耗降低了37.6%；而在過平衡狀態(tài)和欠平衡狀態(tài)分別降低了41%和16%。

表3數(shù)據(jù)表明使用了伺服系統(tǒng)控制電機(jī)之后，整個抽油井系統(tǒng)工作效率有了顯著的提升，平衡狀態(tài)系，效率增長7.41%；過平衡狀態(tài)下，效率增長了6.83%，欠平衡狀態(tài)下，效率增長了3.45%。

表1　不同電動機(jī)拖動不同平衡狀態(tài)運行時電動機(jī)啟動數(shù)據(jù)

表2　不同電動機(jī)拖動不同平衡狀態(tài)運行時單耗數(shù)據(jù)

表3　不同電動機(jī)拖動不同平衡狀態(tài)運行時系統(tǒng)效率數(shù)據(jù)

表4為平衡狀態(tài)下不同沖次下系統(tǒng)運行參數(shù)，實驗數(shù)據(jù)表明隨著沖次的增加，光桿功率、有功功率和系統(tǒng)的效率都在增加。

表4　平衡狀態(tài)下不同沖次下系統(tǒng)運行參數(shù)表

3　結(jié)論

實驗結(jié)果表明，在同等情況下，配有伺服控制系統(tǒng)的三相異步電動機(jī)的起動電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的三相異步電機(jī)，且調(diào)速范圍更寬，系統(tǒng)效率更高，并且可控性更好，可以通過控制，改變系統(tǒng)沖次，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)運行參數(shù)，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

同時伺服控制系統(tǒng)是一款智能系統(tǒng)，因此可以很好的實現(xiàn)人機(jī)交流，更便于對電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，在油田抽油機(jī)系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)用前景。

［1］劉喜文.伺服技術(shù)應(yīng)用于油田地面系統(tǒng)［J］.油氣田地面工程，2011，30（11）：71-72.

［2］李東紅.伺服電機(jī)在油田抽油井上的應(yīng)用［J］.油氣田地面工程，2011，30（8）：82-83.

［3］王健.現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)技術(shù)和市場發(fā)展綜述［J］.世界儀表與自動化，2008，12（9）：22-24.

［4］趙民.永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2005.

［5］郭慶鼎，王成元.交流伺服系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

The working principle and advantages of the servo system of oil pumping unit are comprehensively analyzed.The analysis of the field test data shows that，under the same conditions，the starting current of the three-phase asynchronous motor with the servo con?trol system is much smaller than that of the traditional three-phase asynchronous motor，its speed range is wider，the system is more effi?cient，and the controllability is better.It can change the jig frequency of the system and then optimize the operating parameters of the system to achieve the purpose of saving energy and reducing consumption.

oil pumping unit；servo technology；system efficiency；oilfield energy saving

濮新宏（1965-），男，工程師，現(xiàn)主要從事節(jié)能監(jiān)測工作。

本文編輯：路萍2016-06-25