一、引言

據《世界經濟統計年鑒》和《中國統計年鑒》公布的數據測算，我國的耗能標煤比其他發達國要高出幾倍能源。大量的能源消耗既造成了經濟上的極大浪費，同時也因嚴重的環境污染而造成了極大的社會問題。節能減排已成為擺在我國面前亟待解決的實際問題，同時也成為了政府當前的重要工作之一。根據國家有關規劃，電機系統節能是國家發改委啟動的十大重點節能工程之一。抽油機用電量約占油田總用電量的40%，我國各油田的抽油機電動機裝機總容量在300萬千瓦以上，年總耗電量達100億度以上。目前井場的抽油機普遍采用直接的工頻運行，系統效率非常低，平均運行效率只有25%，電能浪費巨大。因此，抽油機節能潛力非常巨大，石油行業也是推廣“電機系統節能”的重點行業。

二、游梁式抽油機介紹

目前國內抽油機種類繁多，大概以游梁式、無梁式以及新型抽油機三類進行統計。目前應用最為廣泛的是游梁式，屬于有桿抽油設備。游梁式抽油機指含有游梁，通過連桿機構換向，具有重塊平衡的抽油機，俗稱磕頭機，典型游梁式抽油機如圖1。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。抽油機驅動電動機負荷的大小變化取決于平衡的好壞，在平衡率為100％時電動機提供的動力僅用于提起約1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，則需要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，使得游梁式抽油機的節能技術變得十分復雜。

在下沖程時，平衡重從低處上升至高處，平衡重位能增加。平衡重所增加的位能由兩部分構成：油桿柱下落所釋放的位能與電動機產生的能量。由于抽油機油桿柱下落所釋放的位能大于電動機給平衡重增加位能，使電動機處于發電的運行狀態。    

在上沖程時，平衡重由高處下落，把下沖程時儲存的位能釋放出來，幫助電動機提升抽油桿液柱，減少電動機在上沖程時所需給出的能量，但電動機還要付出一定能量。  

圖1 æ¸¸æ¢å¼æŠ½æ²¹æ©Ÿ

由以上分析可知，抽油機運行過程中，電動機伴有發電狀態。根據油田現場經驗總結，抽油機的制動頻度一般在20%左右。

三、抽油機存在的問題分析

為適應野外作業，磕頭機以經濟可靠、皮實耐用而成為目前各大油田普遍使用的采油機械。由于油田的原油高含水率和井下情況復雜，抽油機普遍存在著低效、高能耗等問題。

（1）抽油機系統效率低

抽油機在開始起動時，要求啟動轉矩很高，所以設計時選型一般偏大。在油田現場， “大馬拉小車”現象是比較常見的，正常運行時負荷率很低，一般在20%左右，高時負荷率只有30%，加之抽油機一直處于工頻恒速運行，泵效低，因此抽油機普遍運行在低效區。在我國，抽油機的平均效率約為25%，國外平均水平約為30%。

（2）沖次調節困難

    åœ¨å¯¦éš›é–‹é‡‡ä½œæ¥­éŽç¨‹ä¸­ï¼Œå—油井的儲油量、井深、油質、雜質、含沙量、含水量、抽油泵情況等諸多客觀因素的影響，須經常性地調整作業沖次。同時，由于油田所處地理位置、緯度的不同，以及所處地區的氣候等自然因素，也會對開采作業產生影響，要求抽油機根據實際工況進行相應的沖次調整。傳統沖次調節采用機械調整方式，需要拆裝皮帶，費時費力，作業強度大。

（3）啟動沖擊大，機械損傷嚴重

由于電機全電壓啟動時，啟動電流達額定電流的7倍，因此抽油機啟動時，會對電機和供電電網造成嚴重的沖擊，導致對電網容量要求過高，而且啟動時產生的大電流和震動，不僅無謂浪費掉大量的電能，而且對電動機的絕緣的威脅，嚴重時甚至燒毀電動機。不僅如此，抽油機工頻啟動時產生較大的機械振動應力，嚴重影響到抽油機及其它機械的使用壽命。

四、WIN-PSS-EP在遼河油田的變頻改造

要解決抽油機存在的問題，尤其是要提高抽油機的系統效率，是一個復雜而又系統的任務。不少油田采用了電機變頻調速技術，提高了抽油機系統的地面效率，對泵效的提高也有很大的幫助，并由此真正帶來野外無人值守，全自動運行，不必更換機械設備即可任意控制抽油沖次，適用于不同地域、結構的油井。所以采用變頻器調整抽油機的電機轉速取代機械沖次調節是大勢所趨。目前，磕頭機上交流變頻調速系統廣泛采用簡單的能耗制動，存在浪費電能、電阻發熱嚴重，快速制動性差等缺點。因此，采用能量回饋單元越來越受到青睞。WIN-PSS-EP是微能公司根據多年的油田實踐經驗開發的抽油機節能控制系統，該產品集變頻回饋于一體，并保留工頻回路，性能可靠，節能效果顯著。

（1）WIN-PSS-EP的原理簡介

    WIN-PSS-EP電壓等級380V，其核心是新一代SVPWM變頻系統，低速高轉矩輸出，并且內置回饋單元。整個系統保留工頻回路，若變頻系統出現故障，可使用工頻運行，以保障產液量不受影響。系統的主回路示意如圖2所示。

                    圖2 WIN-PSS-EP主回路示意圖                                     圖3 WIN-PSS-EP

變頻回饋系統是WIN-PSS-EP的核心，其原理示意如圖4。圖中，①表示整流單元，②表示逆變單元，③表示能量回饋單元。交流電網經整流單元變為直流電源后，由逆變單元變換為頻率可變的交流電源，供電動機驅動抽油機械。本系統屬于電壓型變頻方式，采用SVPWM的控制方式，直流電壓利用率高，轉矩脈動小。

圖4 è®Šé »å›žé¥‹åŽŸç†ç¤ºæ„åœ–

考慮到抽油機機械設備的限制，變頻系統的調速范圍一般不會高于50Hz，但若在追求產液量的高產井中，可以將頻率調整大于50Hz，以增加產業量。若井場沒有單獨供電的風扇對驅動電機繞組散熱，變頻系統一般運行在20Hz以上。在實際運行中，變頻調速的范圍一般在20~60Hz。

抽油機一般在下行過程中存在發電狀態。在發電狀態時，電動機作負功，電機繞組上的能量通過逆變單元返回至直流母線，引起直流母線的電壓升高。圖中并聯在直流母線上的能量回饋單元③在檢測到電壓超過設定的閥值時，自動將直流電源逆變成與電網同頻同相的交流電源，它將作為能量傳遞的通道，使能量回饋至電網。能量回饋單元將電動機發電產生的電能全部回饋至電網，如果不能將直流母線的能量及時的處理，會引發變頻系統的保護電路動作，系統將無法工作。

在實際使用中，控制系統可以使用傳感器開關實測抽油機是處于上沖程還是下沖程，以便分別調速，降低下沖程的速度可以提高泵的充滿度，而升高上沖程的速度，以減少泵的漏失系數，這樣可以提高效率。

（2）WIN-PSS-EP的技術特點

WIN-PSS-EP系統專為油田應用設計，具有如下特點：

â‘  æ€§èƒ½ç©©å®šï¼Œå¯é æ€§é«˜ã€‚

â‘¡ ä½¿ç”¨èƒ½é‡å›žé¥‹çš„方式處理再生能量。能量回饋比一般的制動電阻多節約10%~15%的電能，并且不必為現場應用中制動電阻的散熱問題而煩惱。這樣，不僅帶來了經濟效益，也緩解了油田電網的壓力。

â‘¢ è«§æ³¢å«é‡å°ã€‚回饋單元同步檢測電源電壓，采用PWM控制方式，并內置輸入濾波裝置，全程噪聲過濾內，回饋電壓畸變率小于國家標準，諧波含量小，真正做到綠色無污染。

â‘£ é˜²è­·ç­‰ç´šé«˜ã€‚WIN-PSS-EP系統結構完全采用野外設計標準，防護等級為IP54，系統外觀如圖3。

⑤ æ”¯æŒé€šè¨Šç›£æŽ§ã€‚WIN-PSS-EP系統作為數字化油田的底層設備，可與油田監控系統聯網，實現遠程監控。實時觀測油井驅動電機的電量參數，在沒有實現示功圖采集的井場可以作為分析油井工況的依據。

（3）WIN-PSS-EP在遼河油田的應用

遼河油田是一個地質條件十分復雜，含油層系多、儲層種類多、物性變化大、油藏類型多的復式油氣區，勘探開發已經進入中后期。遼河油田普遍采用有桿抽油方式，而所用的抽油機普遍存在效率低、能耗大等情況。在實際生產過程中，油井的供液能力隨時都有變化，需要對抽油系統運行參數進行及時而合理的調整，其中抽油機沖次的調節尤為重要。原系統采用工頻直接驅動電機的方式，一般通過更換電機皮帶輪調節沖次，抽油機沖次一般只有三檔，不僅調節沖次困難、采油效率低，而且機械損傷嚴重。

為改善原系統的諸多弊端，采用WIN-PSS-EP系統對抽油機進行改造。井場提供380V/50HZ輸入交流電源，根據油井負荷不同，遼河油田各井場的抽油機配備的電動機功率將有所不同，這就使得各井場的WIN-PSS-EP功率型號有所區別。本文僅以遼河油田錦州采油廠某作業區井場為例進行分析，該井場配備CYJY6-3.5-26HB åž‹æŠ½æ²¹æ©Ÿï¼Œé›»æ©Ÿç‚ºé›™é€Ÿé›»æ©Ÿï¼Œä¸»è¦åƒæ•¸å¦‚表1所示。

表1 äº•å ´é›»æ©Ÿä¸»è¦åƒæ•¸

由于現場油井在冬天停機時容易凍住，根據WINNER多年的油田現場經驗，我公司配置的系統如表2。

表2 ç¾å ´é…ç½®çš„WIN-PSS-EP主要參數

井場安裝好WIN-PSS-EP后，按標準程序檢查好系統的所有接線，對抽油機進行現場啟停、調速試驗等，WIN-PSS-EP都能出色的完成試驗任務。

依據SY/T5264-2006《油田生產系統能耗測試和計算方法》、SY/T6422《石油企業節能產品節能效果測定》中的有關標準，油田節能檢測中心對本井工頻與變頻運行進行現場對比測試，其部分檢測數據如表3。

表3 ç¾å ´æª¢æ¸¬æ•¸æ“š

由上表可知，油井在降低產液單耗的基礎上降低了總體耗電，不僅如此，使用WIN-PSS-EP之后，提高了抽油系統的地面效率和總體效率，日產液量也有所增加。在現場測試條件下，通過對本井工頻與變頻狀態的對比測試，油井的有功節電率為30.71%，無功節電率為77.32%，綜合節電率為32.92%。

五、WIN-PSS-EP的優點

根據現場實踐的檢驗，WIN-PSS-EP具有如下的優點：

â‘  æ¯”通用變頻系統更加節能。因為梁式抽油機的運行狀況并非是恒轉速狀態，其運行狀態是：上沖程和下沖程。若配重不平衡時，電動機處于頻繁的深度的發電和電動交替的狀態。用在抽油機上的普通的變頻器，一般是外接一個制動單元和制動電阻，把抽油機下行過程中產生的電量消耗掉，而沒有回饋到電網上，造成了抽油機變頻改造的節能效果差。在使用變頻能量回饋功能時，將電動機發出來的電能將回饋到原電網，從獲得了理想的節能效果，WIN-PSS-EP比普通通用變頻器多節能10～15％，熱損耗為電阻制動的3％以下。

â‘¡ å‚³å‹•æ ¸å¿ƒæŠ€è¡“成熟，可靠性高。抽油機節能有很大一部分是在保證產液量的基礎上降低轉速節能的，也就是通過變頻節能。WIN-PSS-EP系統集WINNER多年的變頻傳動經驗，技術先進，性能穩定，可靠性高。

â‘¢ æ“ä½œç°¡å–®ã€‚WIN-PSS-EP專門針對抽油機設計，操作方式遵循行業習慣，適于普通采油工直接操作，無需手冊及操作手冊。

â‘£ å¯åˆ†åˆ¥è¨­å®šä¸Šä¸‹æ²–程頻率。根據磕頭機運行工況針對性設計，可據單井工況調定上下沖程變頻器最佳運行頻率，并可基于此設計全自動控制方案。

⑤ è«§æ³¢æ±¡æŸ“小。內置輸入濾波裝置，全程噪聲過濾，對電網的諧波污染相比通用變頻器大大減小。

â‘¥ å¯ä»»æ„çš„調節抽油機沖次，節約電能，提高效率，增加產液量。在初期油井中，由于油井剛開采，儲油量大。為提高采油功效，我們可以提高抽油機的沖程頻次，讓變頻器運行至60Hz，頻率提高1/5，相應地電機轉速提高了20%，其采油量也相應提高。而在中、后期油井采集中，由于井中原液儲量減少，供液不足，因而我們采用調整抽油機的沖次和選用上快下慢的控制方式，可根據泵的充滿負荷度微量調節速度的動態調整，提高泵充滿系數及排量系數，達到更加節能與增產的運行效果。

⑦ æé«˜ç¶²å´çš„功率因數。原電機直接由工頻驅動時，滿載時功率因數為0.81左右，實際運行功率因數遠低于0.7。采用變頻調速系統后，電源側的額定功率因數甚至可提高到0.9以上，無需無功補償裝置就能大大的減少無功功率，滿足電網要求，可進一步節約上游設備的運行費用。

⑧ é™ä½Žè¨­å‚™é‹è¡Œç¶­è­·è²»ç”¨ã€‚采用變頻調節后，可對電機實現軟啟動，啟動時電流不超過電機額定電流的1.2倍，對電網無任何沖擊，由于通過調節電機轉速實現節能，在負荷率較低時，轉速也降低，主設備及相應輔助設備如軸承等磨損較前減輕，維護周期可加長，檢修費用下降，設備運行壽命延長。

⑨ å¢žåŠ äº†é›»æ°£ä¿è­·ã€‚與原來舊系統相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升等多項保護功能，更完善地保護了電機。

â‘© æé«˜äº†è‡ªå‹•åŒ–水平，為油田的數字化建設提供底層保障。直接通過變頻器實現動態調整抽油機的轉速，可無級調節抽油機的沖次，可方便實現遠程集中監控，便于檢測設備運行狀況。

六、結束語

深圳市微能科技有限公司WIN-PSS-EP系列抽油機節能控制柜以其極高的可靠性、適應性和強大的功能在油田的節能改造中發揮著重要作用，在井場長時間的穩定運行受到一線員工的好評，由它帶來的無級調速大大降低了現場沖次調節的作業強度和時間，其能量回饋功能使其節能達到最佳化。隨著油田節能改造步伐的加快，WIN-PSS-EP系列產品必將以其出色的表現贏得油田用戶的信賴。