抽油机节能方法与变频技术应用

2020-01-19徐洪兵孟晓磊王鑫

中国设备工程 2020年18期

徐洪兵，孟晓磊，王鑫

(渤海石油装备制造有限公司辽河热采机械制造分公司，辽宁盘锦 124010）

众所周知，我国是世界上石油储备大国，在油田油气勘探和开采中，收油机是必不可少的设备，但从当下抽油机的作业情况来看，普遍具有耗电量大、效率低、成本高以及资源浪费的特点。据数据统计，在石油开采工程的总耗电量中，抽油机的占比高达40%，因此，有效地提高抽油机的工作效率是当下油田发展中急需解决的问题。通过对抽油机节能方法与变频技术应用进行研究并提出收油机变频节能技术，对保障油田的生产和经济效益的提升，都有十分重要的现实意义。

1 抽油机节能的意义

目前，我国大多数油田都是低渗透、低能、低产油田，在进行油田开发时难度较大，往往需要靠注水压油入井，然后，再利用抽油机将油从地层中提取上来，这也就是我国油田生产中常见的以水换油、以电换油的现状。由于油田开采探测必须使用抽油机，使得电费成为影响我国石油开采成本的重要因素，也是成本居高不下的主要原因。在大力倡导节能的今天，抽油机节能已经是油田生产中无法绕开的问题。据相关数据显示，我国当下抽油机的保有量超过10 万台，而每台电动机装几种容量为3500MW，这样计算，我国在油田生产过程中每年的耗电量将超过百亿KM h，而我国抽油机平均工作效率为25.96%，比国外低4.09%。从长远角度来看，要想实现抽油机的节能，要对抽油机的结构进行优化，通过降低石油开采的成本，提高企业的经济效率和核心竞争力，使石油企业既做到完成国家任务，又能够通过节能的方式实现长期低成本的发展目标。

2 抽油机效率低下的原因

当下，我国抽油机的作业特点是产能少，与抽油机所消耗的电能不成正比。本文将从抽油机的电机方面分析抽油机作业高耗能、低效率的原因。

在作业期间，抽油机负载是实时变化的，其表现形式有动负载特性和静负载特性两种。抽油机在启动时，所需要的启动力矩往往是抽油机实际作业时所需的3 ～4 倍，甚至还要更大。启动力矩是抽油机选择电机的前提条件，若起动力距刚刚好，抽油机的负载功率就不能达到最佳匹配，这时，电机的额定功率会大于运行负载功率，就是常说的大马拉小车。若抽油能力过剩，就会使抽油机无功抽取的时间增加，增加抽油机的耗电量，造成电脑浪费。

3 抽油机的节能方法

3.1 提高电动机效率利用

电动机是抽油机动能的来源，也是消耗电能的主要设备，因此，对电动机进行节能控制也可以实现抽油机节能。电动机节能方法有以下三种：（1）采用双功率电动机。这种方式是人为干预提到电动机效率的最有效的手段。利用双功率电动机能够改变传统电动机的电源频率，使电动机在任何时刻都处于较高负荷率状态，进而提高电动机的运行效率。但这种方式也具有一个重要的缺陷，需要先解决双功率电动机的配合要求问题，也只有如此，才能够实现抽油机的节能目标。（2）加装蓄能设备。蓄能设备的加装能够提高抽油机的转动惯量，降低电动机承受的扭矩波动量，提高抽油机作业的稳定性。这种方式只需要保证抽油机的额定功率大于或等于消耗功率，即可实现抽油机的节能。（3）改变电动机的机械性能。这种方法是通过对电动机进行改装，使其符合节能电机的要求，例如，改装为永磁同步机，电磁调速电机等。

3.2 优化抽油机结构设计

优化抽油机结构设计是当下最便于开展的手段之一，其实施方式也较多。但独立使用任何一种抽油机优化结构设计时，其节能效果都无法达到最佳，因此，可以通过组合使用多种抽油机优化结构设计来提高抽油机的节能效果。例如，在提高传动效率和降低皮带损耗时，可以同时使用窄V带和同步带，使传动的准确性得到了提高，同时，也避免了出现打滑的问题。

4 变频技术的节能抽油机的应用

4.1 变频技术的特点

变频器的使用能够使电压、频率不变的交流电转换为电压、频率可变的交流电。这样在抽油机作业期间就可以通过调节电机的频率来控制电机的变速运行，通过变频器来对电机的转速进行调节，控制电机的正反转方向。这样就能够实现调速范围广、机械性能好、精度高、运行可靠的目标。

4.2 变频器的选择

在选择变频器类型时，需要高度重视电动机的额定电流和额定功率，这是因为电动机的额定电流和额定功率直接决定着变频器的容量。通常情况下，电动机的额定功率要小于变频器的额定容量，电动机的额定电流和额定电压要小于等于变频器的额定电流和电压。因此，只有选择合适的电动机额定电流和额定功率，才能够匹配到合适的变频器，使抽油机的节能效果达到最佳。

4.3 变频技术的节能抽油机的应用

变频技术节能抽油机能够动态调节冲饮、无极调节上下行程的速度，来满足油井负荷的需求，对泵的充满度进行合理调整，提高抽油机的工作效率，增加油田的原油产量，降低电机的功率，从而实现抽油机的节能目的。

对抽油机进行变频调速，就是为了保证抽油泵一直处于充满油液的状态。这样做的目的是为了提高抽油泵中原油的充满度，使油井的供排系统达到动态协调状态，降低提升过程的漏失系数，有效地防止发生抽油泵工作效率低和空抽的情况，从而保障油田的产量。除此之外，变频器数节能抽油机还具有另外一个作用，通过选择合适的电机为抽油机的平稳运行提供保障。

4.4 变频节能的控制策略

抽油机变频节能控制策略主要有三种方式，一是简单降速方式，二是变化冲床方式，三是专用变频电源。首先，简单降速方式。将变频器直接安装在电动机上来，降低电动机的运行频率，使电动机的转速下降，进而延长冲程时间，实现节约电能的目的。实践表明，这种方法能够使电能降低15%～30%左右。其次，变化冲程方式。采用游梁式抽油机能够对每个冲程下降和提升需要的频率进行不同的设置。但这需要事先对油田的特点进行测量，测量出井下石油水分的比例，并对抽油泵的工作负荷进行计算，通过调节使抽油杆实现快速提升、缓速下降，这样就可以降低抽油机的电能损耗。但这种方法需要对油水比例和抽油泵的工作负荷进行计算，相对来说比较复杂。最后，专用变频电源。专用变频电源是从电源系统入手进行优化的，通过配置变频电路电源系统，使电能实现双向流动，进而减少电动机的功率损耗。现阶段，变频电源在节能方面的效果比较突出，但该种方法也存在一定的不足，主要表现为变频电源过于复杂和精密、设备成本高、环境适应性差。因此，专用变频电源还具有很大的发展空间，希望通过不断的改善，使专用变频电源的不足得到优化，使其能够广泛地应用到抽油机变频节能控制中。