一、概述

自從100多年前，以燃燒石油制品為動力的機器誕生以來，對石油的需求量飛速增長，也為石油工業的發展提供了契機。隨著采油業的發展，產生了被廣泛使用的油井舉升設備——抽油機。抽油機的種類繁多，技術發明有數百種。從采油方式上可分為兩類，即有桿類采油設備和無桿類采油設備。有桿類采油設備又可分為抽油桿往復運動類（國內外大量使用的游梁式抽油機和無游梁式抽油機）和旋轉運動類（如電動潛油螺桿泵）；無桿類采油設備也可分為電動潛油離心泵，液壓驅動類（如水力活塞泵）和氣脅捎蛻璞浮

我國的油田不像中東的油田那樣有很強的自噴能力，多為低滲透的低能械筒油田，大部分油田要靠注水壓油入井，再用抽油機把油從地層中提升上來。以水換油或者以電換油是我國油田的現實，因而，電費在我國的石油開采成本中占了相當大的比例，所以，石油行業十分重視節約電能。目前，我國抽油機的保有量在10萬臺以上，電動機裝機總容量在3500MW，心旰牡緦坑獍僖趉Wh。抽油機的運行效率特別低，在我國平均效率為25.96％，而國外平均水平為30.05％，年節能潛力可達幾十億kW·h。除了抽油機之外，油田還有大量的注水泵、輸油泵和潛油泵等設備，總耗電量超過油田總用電量的80％，可見，石油行業也是推廣“電機系統節能”的重行幸怠

抽油機節能包括節能型抽油機和抽油機節能電控裝置的研制與推廣兩個方面卸源肆醬蠹際醯難芯糠叫宋窗。介紹和宣傳的文章很多，眾說紛紜，莫衷一是。廠家的產品性能介紹亦有“王婆賣瓜”之嫌。因此，有必要將目前常見的幾種類型的抽油機節能電控裝置作一個科學的分析比較，以供用戶選用時參考。在全國各油田進行試驗或已投運的節能電控裝置不下數十兄多，大體上可以分為以下幾個類型，下面分別加以討論。

二、間抽控制器

由于抽油機是按照油井最大化的抽取量來進行選擇的，并且還留有設計余量。另外，隨著油井由淺入深的抽取，井中液面逐漸下降，泵的充滿度越來越不足，直到最后發生空抽的現象，如果不加以控制，就會白白地浪費大量的電能。對于這種油井，最簡單的方法是實行間抽，即當油井出液量不足或發生空抽時，就關閉抽油機，等待井下液量的蓄積，當液面超過一定深度時，再開統橛突，這樣就提高了抽油機的工作效率，避免了大量的電能浪費。

間抽控制的原妥齜ㄊ橋扇碩ㄊ鋇接途去開停抽油機，即使在發達國家，目前也還有不少油井采用這種人工控制方式，以便解決抽油機的低效和浪費問題。這種做法每天要派人去井場操作好幾次，經過長期試驗才能摸索出適合各油井的間抽規律，費工費時。于是就引入了定時鐘，只須設定開、停機時間，湍蘢遠地進行間抽控制，但是，這仍然無法解決令抽油機的工作能力動態地響應油井負荷的變化，以達到最佳的節能效果，同時，還有可能會影響油井的產量。

為了解決上述問題，通過安裝相關的傳感器，精確感知油井負荷的動態變化，實現智能間抽控制。為此，可采用各種不同的傳感器達到控制目的，下面分別予以介紹。

液面探測器：如果能直接測出井中的液面，那么就可以用它來控制抽油機的運行。當液面高度超過泵時，就啟動抽油機；當液面降X泵的吸入口處時，就關閉抽油機，避免空抽的發生。早期的方法是使用永久式的井下壓力傳感器來檢測液面，現代則是利用聲波裝置從地面上自動監測井下液面深度，但是，由于裝置復雜，維修費用高而沒有得到普及。

流量傳感器：在井口通過流量傳感器檢測油井的出液量，是實現抽油機控制最直接，也是最有效的方法。但是，由于國內的油井產量太低，有些油井的產量每天只有幾m3，甚至不足1m3，合10cm3/s。這么小的流量檢測，對于各種類型的流量傳感器來講都是一個難題，再加上井中采出的油液中含有大量的泥沙和蠟塊，經常會發生堵塞現象，因而也未能獲得推廣應用。

電流傳感器：應當說，電機電流的檢測是最方便、最可靠，也是最為廉價的方法。當發生空抽時，下沖程開始時游動閥并沒有打開，光桿載荷為桿柱重量及游動閥上部液柱的重量之和，可平衡掉大部分的配重的重量，電動機只要用很小的能量就可將桿柱送入井底，電機電流較小；當油井中泵的充滿度較高時，下沖程開始不久，游動閥即打開，泵中液面托住了游動閥上部的液柱重量，并且使抽油桿柱也浸沒在液體中，因而光桿載荷只是桿柱在液體中Ц≈兀這也就意味著電機將用較大的能量來舉起曲柄或游梁尾部的平衡塊的重量才能將桿柱送入井底，因而電流就較大。

抽油桿載荷傳感器：普遍采用的方法是通過特制的傳感器，對抽油機的光桿載荷進行檢測，因為光桿載荷是井下泵運行情況的最好監視器，并且它不受平衡配重的影響。泵的充盈系數（包括空抽）通過對抽油桿載荷的分析可以很容易地被檢測出來。另外，更重要的是抽油桿載荷數據，加上抽油桿位置的信息，正是分析井下工況的“示功圖”的必備數據，利用這些信息可對抽油機的運行情況進行全面的分析。在光桿或游梁上安裝測力傳感器可以測出抽油桿的載荷數據。光桿測力傳感器比較準確，但易于損壞；安裝在游梁上的傳感器準確度飩系停但比較耐用。

三、電動機星三角轉換節能

由于抽油機的功率檔次有限，而每一口油井的參數都不一樣，在選配抽油機時，不可能做到量體裁衣，剛好和抽油機的功率檔次相匹配，一般留有一定的功率裕量；各型抽油機在配用電動機時，為了保證抽油機在各種工況下正常運行，也留有一定的功率余量；隨著油井由淺入深的抽取，油井的產液量越來越少，抽油機的負荷也相應減小。由于上述原因，就造成了抽油機的實際負載率普遍偏低，大部分抽油機的負載率在20％～30％之間，最高也不會超過50停形成大馬拉小車的現象。而當電動機處于輕載運行時，其效率和功率因數都較低，此時若適當調節電動機定子的端電壓，使之與電動機的負載率合理匹配，這樣就降低了電動機的勵磁電流，從而降低電動機的鐵耗和從電網吸收的無功功率，可以提高電動機的運行效率和功率因數，達到節偷哪康摹

由于低壓電動機在正常工作時，定子三相繞組是△接法，這樣每相繞組承380V的線電壓，電動機可產生額定的輸出機械功率。電動機的轉矩是與電壓的平方成正比的，當電動機輕載（負載率<33％）時，可以將電動機的繞組由△接法改成Y接法，使每相繞組只承受220V的電壓，電動機的轉矩也就僅為額定轉矩的1/3。當負載率>33％時，再將電動機繞組改為徒臃ㄔ誦校否則，會因電流過大而燒毀電動機。電動機在進行Y/△轉換時會產生沖擊電流。

Y/△接法轉換的實現一般采用交流接觸器實現，也可以通過晶閘管開關實現，兩種方法在節能效果上并無差異，而轉換控制電路如何準確掌握轉換時的負載率則會對節能效果產生較大的影響。當負載率β<33％時，不能及時進行△→Y切換，則會影響節能效果，而當負載率β>33％時，不能及時進行Y→△切換，則會使電流過大，銅耗增加，反而費電，同樣影響節能效果。為了不使轉換頻繁發生，一般在轉換點的負載率之間設置一定的回差，通常采用負載率β<30％時進行△→Y轉換，而當β>35％，進行Y→△轉換。

四、晶閘管相控調壓節能(STD)

一般而言，磕頭式抽油機均普遍存在抽取能力大于油井實際負荷的問題。因此，泵空或空撈現象便相伴而生。泵空增加無效行程，浪費大量電能，同時也使抽油設備的維護費用提高。STD內部主要由相控電機節電器及保護單元、控制回路等部分組成，其核心部分是相控電機節電器，相控電機節電器將最新智能可編程軟件固化在微處理器上，通過先進的電子線路對負載電機進行實時檢測與跟蹤，實時控制晶閘管（可控硅）的導通角，在百分之一秒以內提供電機最適宜的工作電壓與電流，使電機的輸出功率與實時負載剛好匹配，從而有效地降低電機的功率損耗，改善電機起動、停機性能，達到節電的效果。

STD相控調壓節電器適用于各類處于輕載或變負載運行狀態下抽油機電機節能控制，不改變抽油機的上下行程和運行速度，在不減少抽油量的前提下實現節能效果。相控節電器配備了軟啟動功能，可以大大降低電機的啟動電流，減少2擊電流對電機絕緣的破壞、降低電機運行溫度、減少電機的維護量、延長使用壽命。相控節電器對抽油機電機實時監控負載變化、匹配輸入電機所需電能，大大減少電機本體的發熱、振動、噪音和鐵磁損耗，有效改善電機的運行條件。

基于相控節電技術的電機節電器全自動智能化節電，無需人工調節，節電率效果比較明顯，不改變電機原有轉速，不影響抽油機采油量，串聯于抽油機電機前端，安裝使用簡捷易用，具有軟啟動，動態跟蹤負載，調節用電設備輸入功率，提高用功功率等功能，可有效地保護電機及機械設備，設備運行平穩、可靠，是抽油機節能改造的最佳方案。STD油田抽油機節能控制柜就是基于相控節電技術，專門針對油田抽油機運行效率低、能源浪費嚴重而推出的新一代油田節能產品，目前在國內許多油田已經得到認可和廣泛應用。

五、無功就地統ソ諛

交流異步電動機的無功就地補償就是將補償電容器組直接與電動機并聯運行偷綞機啟動和運行時所需的無功功率由電容器提供，有功功率則仍由電網提供，因而可以最大限度地減少拖動系統對無功功率的需求，使整個供電線路的容量及能量損耗、導線截面、有色金屬消耗量，以及開關設備和變壓器的容量都相應減小，而供電質量卻得以提高。

無功就地補償只對長期空載或輕載運行的電動機有用，對于重載運行的電動機，因為其本身功率因數較高，沒有補償的必要。由于抽油機大部分處于輕載運行的狀況，且由于其分散性，低壓輸電線路較長，本身功率因數又偏低，無功就地補償的效果較好。對于抽油機這樣的負載，負載頻繁變化，沒有必要采用自動投切的電容器組補償，這樣會增加成本，降低可靠性，是得不償失之舉。只要根叩緇容量及平均負載率，選配適當容量的電容器進行固定補償就行了，既經濟又實用。目前，由于市售的補償電容器質量都不好，壽命都不長，因此，應當選用質量較好的自愈式電容器，并有自放電電路的產品。

六、超高轉差率多速電動機

抽油機由于其特殊的運行要求，所匹配的拖動裝置必須同時滿足三個最大的要求，即最大沖程，最大沖次，最大允許掛重。另外，還須具有足夠的堵轉轉矩，以克服抽油機啟動時嚴重的靜態不平衡。因此，往往抽油機L設計時確定的安裝容量裕度較大。如6型抽油機配Y200L6/18.5kW，10型抽油機配Y250M6/30kW等。20世紀80年代中分別引進國外超高轉差電動機和超高轉差多極電動機技術，對抽油機拖動裝置進行了大量的科學實驗，測試和分析，證明抽油機匹配超高轉差率多速節能電動機拖動裝置具有一定的節能效果。

降低抽油機拖動裝置的安裝容量裕量就是一個節能體現。由于所信涔β氏陸擔其對應的額定電流相應下降。網絡及電機繞組的銅耗與電流平方成正，電流的下降自然帶來了損耗的降低而達到節能。拖動裝置軟的機械特性造就了抽油機運行過程中電動機功率的有功分量和無功分量的變化，促使輸入功率的降低。

抽油機固有的設計及運行特點與現場實際運行工況相比，不可避免地出現了大馬拉小車的不合理匹配。抽油機維持在PH點的負載，在現場從未出現過，絕大部分負載在電動機額定功率（指輸出功率）20％～30％左右。對普通電動機而言，如此運行，其效率和功率因數特低。對超高轉差率多速電動機來講，由于曲線平坦，η及cosψ在負載變化情況下，其值變化不大，從而相對來講其η及cosψ高于普通電動機，致使毓功率降低，功率因數提高。因此，就節能而言，抽油機匹配超高轉差電動機是合理的。當然，轉差率的高低，機械特性的軟硬是否越高越好、越軟越好？對于這一問題，我們認為新技術的成立與否是通過生產實踐驗證的。轉差率高低，機械特性軟硬均應適度，否則對其實用性、可靠性帶夭煥影響。

超高轉差率多速電動機軟的機械特性造就了抽油機懸點最大負荷降低，賾捅蒙閑興俁然郝，抽油桿的彈性變形減小，從而使抽油泵的填充系數增加，吸液量增大，每沖次來油量增加，使單位液耗電能降低，具有一定的節能效果。

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七、變頻器調速節能

當油井的地下滲透能力小于抽油機的泵排量時（絕大多數油井如此），為了提高抽吸效率，降低單位產量的能耗指標，最直接的辦法是實行間抽。但是大多數的油井是不允許間歇性工作的，因為如果長時間停機的話，輕則會影響產油量，重則會使油井無法再開啟。這是因為：含蠟量高或含鹽量高以及油的粘稠度高，且地處高寒地區的油井，如果間歇工作，會造成井口結蠟、結鹽或結油的后果，使油井無法再開啟；對于注水油井，如果停止抽取，勢必會影響產油量，這將是得不償失的事，對于這類油井，就要采用其它的磕芊椒ā

為了使抽油泵的排量與油井的滲透能力相適應，可以通過改變抽油機的電炕轉速來實現。抽油泵是一種柱塞泵，對電動機來講是一種恒轉矩性的負載，也即電動機的電功率與其轉速成正比。這里要提醒注意的一點是:有人一說到泵，就想當然地認為和風機、水泵一樣屬于平方轉矩型負載了，或者說“近似于泵類負載”，這都是錯誤的。要知只有葉片式的風機和水泵，在不計其靜扭矩時，有近似于平方轉矩的負載特性，也即：排量與轉速成正比，壓頭（或揚程）與轉速的平方成正比，而軸功率則與轉速的立方成正比。

隨著現代電力電子技術的發展，低壓變頻器已是十分成熟的電氣產品，并且其價格也已經大幅度下降，目前進口變頻器的價格約為600～700元/kW。國產變頻器的價格在400～500元/kW，在抽油機上大量推廣變頻調速節能改造已經成為可能。抽油機改用變頻器拖動以后有幾個好處：可根據油井的實際供液能力，動態調整抽取速度，一方面達到節能目的，同時還可以增加原油產量；由于實現了真正的軟起動，對電動機、變速箱，抽油機都避免了過大的機械沖擊，大大延長了設備的使用壽命，減少了停產時冢提高了生產效率；大大提高了功率因數（可由原來的0.25～0.5提高到0.9以上），從而大大減少了供電電流，減輕了電網及變壓器的負擔，降低了線損，挖掘出大量的“擴容”潛力。但是，將變頻器用于抽油機拖動時，也有幾個問題需要解決，主要是沖擊電流問題和再生能量的處理問題諞韻錄右苑治觥

1、沖擊電流問題

游梁式抽油機是一種變形的四連桿機構，其整機結構特點像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對于支架來說，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動力就可以使抽油機連續不間斷地工作。也就是說抽油機的節能技術取決于平衡的好壞。在平衡率為100％時電動機提供的動力僅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，硇枰電動機提供的動力越大。因為抽油載荷是每時每刻都在變化的，而平衡配重不可能和抽油載荷作完全一致的變化，才使得游梁式抽油機的節能技術變得十分復雜。因此，可以說游梁式抽油機的節能技術就是平衡技術。

據筆者對某油田18口井的調查，有6口井配重偏大，從而造成過大的沖擊電流，沖擊電流與工作電流之比最大可超過5倍，甚至超過額定電流的3倍！不僅O費掉大量的電能，而且嚴重威脅到設備的安全。同時，也給采用變頻器調速控制造成很大的困難，一般變頻器的容量是按電動機的額定功率來選配的，過大的沖擊電流會引起變頻器的過載保護，不能正常工作。

通過對抽油機曲柄配重塊的調整，可以使沖擊電流降到電機額定電流之內，沖擊電流與正常工作電流之比在1.5倍以內。這樣，選用與電機額定功率同容量的變頻器"甚至略小于電機額定功率的變頻器（要視抽油機電動機的負載率而定）都可以長期穩定運行。由于抽油機的起動扭矩往往很大，慣性也很大，所以要將變頻器的加減速時間設置得足夠長，一般為30～50s，才不致在起動時引起過載保護。

2、再生能量的處理問題

由于抽油機屬位能性負載，尤其當配重不平衡時，在抽油機工作的一個沖程中，會出現電動機處于再生制動工作狀態（發電狀態），電動機由于位能或慣性，其轉速會超過同步速，再生能量通過與p頻器逆變橋開關器件（IGBT）并聯的續流二極管的整流作用，反饋到直流母線。由于交—直—交變頻器的直流母線采用普通二級管整流橋供電，不能向電網回饋電能，所以反饋到直流母線的再生能量只能對濾波電容器充電而使直流母線電壓升高，稱作“泵升電壓”。直流母線電壓過高時將p對濾波電容器和功率開關器件構成威脅，為了保護電容器及功率開關器件的安全，所以，變頻器都設置了直流母線電壓高保護停機功能。

第一種辦法是增大變頻器直流母線上濾波電容器的容量，將再生能量儲存起來，等電動狀態時再釋放給電動機作功。這種方法對節能有利，但是電容器的儲能作用是有限的，在大容量或者負載慣量大的系統中，不可能只靠濾波電容器來限制泵升電壓。

第二種辦法是采用“放”的辦法，可以采用由分流電阻器Rp和開關管S11組成的泵升電壓限制電路。也就是將回饋能量消耗在電阻上，這是一種耗能的方法，對節能不利。尤其是在大容量或者大慣量拖動系統中，能量的損失較大。

第三、對于地處北方寒冷地區的抽油機，為了在冬季增加原油的流動性和防止結蠟，而對井口回油管進行電加熱，如采用中頻加熱裝置。這時也可將變頻器與中頻電加熱裝置共用整流電路及直流母線，這樣可將電動機回饋到直流母線上的再生能量用于中頻加熱器，同時又防止了直流母線電壓的泵升。

第四、對于同一井場上有多口油井的場所，可以采用共用直流母線系統方案，即若干臺抽油機的變頻器可共用一臺整流器，將其直流母線聯結在一起，利用各變頻器的回饋能量不可能在同時發生的原理，將某一臺變頻器的回饋能量作為其他變頻器的動力。這樣即節約了能量，又防止了泵升電壓的產生。

第五、對于更大功率的系統，為了回饋再生能量，提高效率，可以糜媚芰炕乩∽爸茫將再生能量回饋電網，當然這樣一來，系統就更復雜，投資也就更高了。所謂的能量回饋裝置，其實就是一臺有源逆變器。

3、電磁兼容性問題

這里2要講電磁干擾（EMI）問題，即變頻器對微電腦控制器，傳感（變送）器及通信設備的干擾問題。變頻器是一個很強的電磁騷擾源，變頻器中的開關器件，以及SPWM電壓波形，會對控制及通信系統造成很大的干擾。干擾的途徑，除了感應、輻射之外，還包括傳導干擾，即通過連接導線傳導的干擾。在控制系統中，變頻器只是一個執行機構，它的運行頻率（速度）指令由控制器通過對油井液量等信號的控制運算后給予，變頻器就通過控制信號線，給微電腦控制器造成了很大的干擾，以致使控制器無法正常工作。因為是傳導性干擾，采用屏蔽線是不解決問題的，要從信號線上的哪＜安钅８扇湃朧鄭采用共模與差模濾波器，才能解決干擾問題。

4、閉環控制的采樣問題

抽油機利用變頻器調速，使之動態適應油井負荷的變化，達到節電的目的，尚胍加外部傳感器，否則無法實現閉環智能控制，只能實現人工定值控制。所采用的傳感器的類型，與間抽控制器大體相同，但是在要求上是有差別的。流量檢測是最直觀、最準確的方法，如果能實現小流量檢測并解決防堵問題，應盡量采用流量傳感器。光桿載荷傳感器也能用來檢測井下閃康畝嗌伲與間抽控制不同的是，閉環調速控制只要求載荷的變化趨勢，不需要標定空抽設定值。光桿的平均載荷大，說明井下液量少，應減速運行，反之則可加速運行。電流控制不可取，因為這里除了配重的影響外，當電機調速時，電流也是隨著變化的，因此不能將電流信號用作控制依傘

八、結束語

1、抽油機在油田的使用量大，而負載率普遍偏低，功率因數則更低，電能的無謂浪費嚴重，節能降耗潛力巨大。

2、間抽控制器在低產油井上有一定節能效果和經濟效益，但效果不是很明顯，由于其采用接觸器作為主要元件，在降壓切:過程中又要經常動作，因此產品壽命不會很長，需要經常維護。

4、晶閘管相控調壓節能，是目前油田節能應用上較為理想的節能產品，其相控節能控制柜可以取代原有配電柜，便于管理與維護，節能效果普遍較高，近幾年在大慶油田、中原油田和遼河油田得到了廣泛應用，其造價低，經濟效益明顯、易安裝易使用用是主要優勢，值得在油田推廣。

5、高轉差率多極電機拖動系統，能適應油井調參要求，軟的機械特性對延長抽油機壽命有利，新裝油田可e采用這類產品。

6、變頻調速系統，使抽油機動態適應油井負荷變化，也可方便地進行調參。配以流量、載荷等傳感器，可實現最經濟的控制。同時其軟起動性能好，對延長抽油機壽命，減少維護費用有利。能耗基本上與轉速成正比，在部分可以降速的場合可以節能。

7、抽油機節能電控裝置的發展方向是節能效果好，能與油井負荷相匹配，并有完善的保護功能；有數據采集和存儲功能，聯網和通信功能，以及遙控遙測功能；并能適應油田的環境要求，N作簡單，智能化程度高。