0 引言

   游梁式抽油机结构简单,可靠性高，是目前油田原油开采的主要设备，在机械采油设备中约占60％以上。但游梁式抽油机也是油田的耗能大户，其用电量约占油田用电量的40％，且其拖动电机普遍存在着功率利用率低、能源浪费严重的情况，目前我国有近8万台抽油机井，电动机平均符合率为20％～30％，部分电动机负荷率更低。因此，抽油机的节能问题已引起了广泛重视，并出现了形式不同的节能产品。但目前各种节能产品，特别是电机控制装置因没有有效针对游梁式抽油机的实际特性进行设计，因此从油田的实测评估资料看，各种节能产品远没有达到理想的节能水平。

1 抽油机节能器的主要类型和存在问题

   抽油机节能装置从节能原理上看，大致可以分为电机节能、变矩节能、变结构节能、变平衡方式节能和摆杆式节能5种方式。其中，后4种节能方式是针对游梁式抽油机机械结构的节能方式，显然，改变抽油机机械结构的方式存在一个明显的缺点，必须对油井进行改造，不仅成本高，从实际节能效果看也不是很理想。而电机节能则主要是针对抽油机的电气性能而采取的节能方式。实际上，游梁式抽油机的电动机多数以轻载，即“大马拉小车”的工况运行，这些固有特性决定了拖动电机功率的利用率很低，因此提高拖动电机的负荷率是实现节能的途径之一。

目前，抽油机的电动机主要从3各方面实现节能：人为地改变电动机的机械特性，主要是改变电源频率，以实现与负荷特性的柔性配合；从设计上改变电动机的机械特性（如高转差率电动机和超高转差率电动机），从而改善电动机与抽油机的配合；提高电动机的负荷率和功率因素。具体有以下方式：

①采用双功率电动机。双功率电动机的定子绕组是两个可以并联运行的绕组。启动时和负荷轻时，两个绕组分时投入，则总的电流减小。当抽汲工况发生变化，负荷较大时，两个绕组都投入，则总的电流减小。当抽汲工况发生变化，负荷较大时，两个绕组都投入。这样，电动机在各种情况下都有较高的负荷率，运行效率和功率因素都有较大的提高。采用双功率电动机缺点在于：如果不能解决系统的配合问题，则起不到节能作用。

②增加蓄能器。蓄能器用来增加抽油机的转动惯量，充分发挥其动能的均衡作用，降低电动机承受扭矩的波动量。例如当启动时或电动机驱动力大于抽油机工作阻力时，飞轮转速上升将多余能量储存起来；相反，当抽油机工作阻力大于电动机驱动力，飞轮转速降低，将动能转化为驱动力并与电动机驱动力合力输出。显然，只要电动机的额定功率等于或大于抽油机的平均消费功率，抽油机就能平稳工作，因而可显著降低电动机容量，实现节能降耗。

 ③利用电容器做功率补偿。其节能原理是利用一个大容量电容器并联在线路中，起功率补偿作用，从而达到节电目的。

④增加调压节能装置。利用现代电力电子技术的成果，根据电动机的负荷率的变化不断调节电动机的输入端电压，即载荷小时电动机的输入电压下降，载荷大时电动机的输入电压升高。因此，降低输入电压，减少了电动机的损耗，提高了电动机的运行效率，同样能达到节能的目的。

⑤采用 双向切换。其原理同调压节能是一致的，只不过电机输入端电压不是连续变化的，仅有220V和380V两种形式。当电机轻载时，电机采用Y型接法，输入端电压为220V。当电机重载时，电机采用 型接法，输入端电压为380V。

电机节能的几种方式，其主要目的在与降低电机轻载时电机自身的能量损耗。因此，这种方式的节能效果也是有限的，只有在负载率较轻时节能效果才比较理想。

2 智能节能控制器的设计方案

2.1关键技术

基于目前国内抽油机节能系统的使用现状和实际情况，要开发成功高效的抽油机节能控制器，必须对抽油机的负载特性进行综合的分析，明确抽油机的所有耗能因素，从而采取有效的节能措施。

①抽油机负载特点

抽油机靠抽油杆的上下运动将原油抽汲到地面的管网中，抽油机的上冲程提起油柱时的功率大，而下冲程时勿需动力可自行下落。为了使负荷均匀，一般配有某种平衡机构，如平衡块，电机轴上形成的总负载转矩为油井负荷扭矩之和。如图1所示为抽油机的负荷曲线，即总负载转矩M与曲柄转角 的关系曲线 。不同的油井其负荷曲线不同，主要与井况和平衡有关。

            图1 抽油机的负荷曲线

抽油机的负荷特点决定了选用普通异步电动机来驱动抽油机将不可避免地造成大量地能耗，具体表现在“大马拉小车”现场造成的 能耗和电动机发电所造成的能耗。

②“大马拉小车”造成的能耗

  根据抽油机的负载特性可知，当抽油机运行时，拖动电动机的负载呈幅度周期性波动，使电动机经常处于过渡过程状态。对于正常的井况，抽油机在吸油（即油杆提升）过程中，电动机处理重负载运行状态；而当油杆下降时，电动机则处于轻载或空载状态。对于同一口井，在不同的井况下，例如井内的油气含量或油的粘度发生变化时，虽然同样都是吸油过程，但电动机的负载情况亦将随井况的变化而变化，对于不同的井况，由于游梁平衡情况调节的不同。根据油田大量的现场测试数据发现，抽油机的平均负荷一般为最大负荷的1/3，电动机的负荷率大部分在10％～20％，最高的也不过30％。电动机的平均负荷率低，其容量没有被充分利用，这就是所谓的“大马拉小车”现象。

出现这种现象的原因是有其合理性的。首先，抽油机启动时都是带载启动，惯性矩较大，启动时又总在上下死点处启动，油田在选配电机时为了启动顺利，不影响生产，一般按最大扭矩选配电机，而抽油机启动后正常工作时平均转矩与最大扭矩相比又较低，所以电机输入功率仅有额定功率的三分之一，这是造成“大马拉小车”的主要原因。其次，油田在选配电机时考虑油井工况异常，如砂卡结蜡时，不致因气动困难烧毁电动机，当油井负荷因修井等原因负荷变大时不频繁更换电动机，而人为又增大了欲量，加剧“大马拉小车”这一现象。

“大马拉小车”现象是抽油机耗能的主要原因。低负荷运转不仅造成电机效率低、功率因素低，而且周期性的负荷波动，使电机转速波动，增加了电机的损耗。所以，为实现抽油机节能，必须克服“大马拉小车”现象所带来的负面影响，使电机处于经济运行状态。

③电动机发电所造成的能耗

 抽油机负载波动很大，因此在抽油机的正常运转中会出现抽油机的运转速度大于电机对它的驱动速度的情况。这时，抽油机就拖动电机发电。从现场实测的上百次的抽油机用电功率曲线来分析，一般都存在抽油机拖动电机发电的情况，最大发电功率甚至可达40 。

从能量流动看，负功率在抽油机电机和电网之间流动，可以减少电机的能耗。但若电动机的电不完全与电网同步，其结果不是降低能耗，而是增加了能耗。

电动机的发电现象也给抽油机节能装置的开发带来了很多负面影响。虽然可以通过调节平衡的方式减少发电量，但很难根除这一现象。对大多数通过变频调压的节能装置来讲，发电能引起变频控制元件的过电压，损坏节能设备。而对于一些采用补偿电容的节能装置来讲，由于从电动机改发电机所配电容的接法与补偿电容的接法完全相同，电容补偿会使发电作用更强，节能没有多大效果。

综上所述，要研制成功有效的抽油机节能控制装置，关键的问题有两点：

①实时监控抽油机负载的变化，根据抽油机运行的载荷工况和负载变化调节电动机的工作状态，自动控制电机输入电压，控制抽油机电动机的输出功率，使其工作于最佳工作状态，减少能源消耗，达到节能目的。

②减少或利用电动机的发电，进一步降低系统损耗。

只有这样，才能最大发挥抽油机的节能潜力，使节约的电量达到一个理想状态，将节能成本控制在一个可以接受的水平。

2.2智能节能控制器设计方案

根据对抽油机节能控制器关键技术的分析，并考虑系统的成本，智能型抽油机节能控制器采用如图2所示的技术方案。

                     图2智能抽油机节能控制器方案框图

系统以新型的电力电子元件IGBT构成变频调压器为中心，通过电流传感模块、电压传感模块和功率传感器模块实时检测电机输出功率的变化，由单片机系统来控制IGBT的关断，控制电机输入端电压的大小，以调整电动机输出功率，减少电动机的铁损和銅损。达到节能降耗的目的。

为克服负功率对IGBT模块的影响并进一步节能，系统设置了负功率处理模块，通过该模块，系统以和电网同样的频率和相位将电动机发出的电能馈送到电网中，进一步降低电机损耗。

由于IGBT是比较昂贵的器件，而且对使用条件要求比较高，必须加以保护。根据抽油机的实际特点，系统设置了过流保护、过压保护、缺相保护和温度保护，从而使系统能够更安全地运行。

智能型抽油机节能控制器具有以下的功能：

①可设置电动机的最大工作电流、空载电流和最高工作温度等参数，根据电动机工作电流的大小判断抽油机的工况。当电动机电流超过额定电流和最高工作温度超过额定工作温度时停抽油机工作，从而保护电动机。当抽油机电动机工作电流小于空载电流，认为抽油机空载，可停止抽油机工作，等待原油聚集。根据所设定的停机时间，抽油机停止工作一段时间后，控制系统自动启动抽油机，从而实现抽油机停机节能。

②断电后来电时自动延时启动时间，避免油田抽油机同时启动。

③软启动功能，减少启动对电网的冲击并节约电能。

④可根据抽油机运行的载荷工况，自动控制电机输入电压，控制抽油机电动机的输出功率，达到节能目的。

⑤独特的负功率处理功能，能有效减小电机发电所带来的影响，提高节能效果。

⑥具有数据存储和数据通信功能。通过专用数据回放卡可转储数据进行数据处理分析和绘制抽油机电能图，从而方便油田对抽油机的管理。

3 结束语

   智能型抽油机节能控制器的开发经过了样机开发和油田试验两个阶段，我们逐渐掌握了游梁式抽油机工作规律和抽油机节能控制器的关键技术，为系统投入运行奠定了基础。