抽油機(jī)高壓節(jié)能控制裝置的研制與應(yīng)用

李偉 馬強(qiáng)（遼河油田公司沈陽采油廠）

機(jī)械采油主要采用游梁式抽油機(jī)，其用電的特點(diǎn)是：在一定時(shí)期內(nèi)設(shè)備負(fù)荷呈周期性變化，在一個(gè)工作周期內(nèi)有一半時(shí)間設(shè)備都處于輕載狀態(tài)，而感性設(shè)備在欠負(fù)荷狀態(tài)下的無功損耗很大。井下載荷一般為5～15 t，為了滿足油井啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的需要，電動(dòng)機(jī)額定功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際運(yùn)行功率，造成“大馬拉小車”現(xiàn)象。由于負(fù)載的周期變化，使電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)周期變化，在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)電動(dòng)機(jī)大多運(yùn)行在非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)，造成大量電能浪費(fèi)?，F(xiàn)有的用電系統(tǒng)采用6.6 kV/0.4 kV 電壓等級(jí)，存在設(shè)備額定電流大、容量大、線路損耗高等問題。

1 節(jié)能原理

將6.6 kV/0.4 kV 系統(tǒng)電壓等級(jí)提高到6.6 kV/1.14 kV 系統(tǒng)，根據(jù)P=I2R 可知，在R 保持不變情況下，提高電壓至1.14 kV，可使電流下降到原來的1/3，則各項(xiàng)損耗在滿負(fù)荷情況下可減少，即：ΔP%=（I/3）2R/I2R=1/9 ≈11% 。因此，可降低線損，同時(shí)也降低設(shè)備的空載損耗，達(dá)到節(jié)能目的[1]。

2 高壓節(jié)能控制裝置的研制

1.14 kV 抽油機(jī)智能拖動(dòng)裝置主要由高轉(zhuǎn)矩多功率電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)智能控制柜、6.6 kV/1.14 kV 配電變壓器及1.14 kV 連接電纜組成。

2.1 高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩多功率電動(dòng)機(jī)

根據(jù)油井正常生產(chǎn)的功率、轉(zhuǎn)速、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等指標(biāo)要求完成額定功率（即高功率檔）的電磁設(shè)計(jì)，用計(jì)算機(jī)繪制出從100%負(fù)載率（即額定功率）到空載的效率-功率因數(shù)曲線?？紤]到抽油機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求比較高，將電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)為比一般Y 系列普通三相異步電動(dòng)機(jī)高1.5 倍。根據(jù)曲線，隨著功率的降低，效率和功率因數(shù)在75%負(fù)載率后將大幅度地下降，使電動(dòng)機(jī)逐漸進(jìn)入非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)。因此在65%～70%負(fù)載率區(qū)域內(nèi)找出第一個(gè)功率切換點(diǎn)（即中功率檔），在此點(diǎn)引出一個(gè)電動(dòng)機(jī)繞阻抽頭，形成中功率檔繞組，并以此為基準(zhǔn)，在中功率繞組的65%～70%負(fù)載率區(qū)域內(nèi)找出第二個(gè)功率切換點(diǎn)（即低功率檔）。通過設(shè)計(jì)高、中、低3 檔功率，根據(jù)負(fù)載率的情況適時(shí)切入相應(yīng)功率的繞組，以提高系統(tǒng)的效率和功率因數(shù)[2]。

2.2 多功率電動(dòng)機(jī)智能控制裝置

智能控制裝置是測(cè)量電動(dòng)機(jī)負(fù)載，自動(dòng)跟蹤負(fù)載變化，智能判斷和切換電動(dòng)機(jī)輸出功率和負(fù)載匹配，并對(duì)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)實(shí)行保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備，主要包括數(shù)據(jù)測(cè)量及采集，數(shù)據(jù)處理及比較，控制電路設(shè)計(jì)、PLC 編程，直流電源設(shè)計(jì)，采樣元件及動(dòng)力電路設(shè)計(jì)等技術(shù)。根據(jù)控制的多功率電動(dòng)機(jī)的功率等級(jí)數(shù)、各檔功率值及電流值、各種保護(hù)要求，設(shè)計(jì)出動(dòng)力電路、控制電路、測(cè)量電路并選用各種電氣元件?？刂撇糠钟芍绷麟娫?、采樣元件集成（功率及電流測(cè)量專用芯片），根據(jù)控制的功率等級(jí)數(shù)選用PLC 編程器或PC。

表1 智能拖動(dòng)裝置安裝前后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.3 控制軟件的開發(fā)

根據(jù)電動(dòng)機(jī)的使用情況，內(nèi)置控制軟件主要具有以下功能：

1）邏輯判定條件的設(shè)定：根據(jù)高、中、低3檔功率值設(shè)定3 檔的額定電流值IH、IM、IL，此為數(shù)據(jù)比較及開始計(jì)時(shí)的基準(zhǔn)值。

2）過載保護(hù)：以最高功率的額定電流IH為基準(zhǔn)，大于1.2 IH持續(xù)30 s 則切斷電源；大于1.5 IH持續(xù)5 s 則切斷電源。

3）缺相保護(hù)：當(dāng)三相電流中任何一相與三相平均值的偏差大于三相平均值的15%，持續(xù)30 s 則切斷電源。

4）短路保護(hù)：當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到1.8 IH持續(xù)1 s則切斷電源。

5）小電流漏電保護(hù)：漏電電流大于30 mA，持續(xù)1 s 則切斷電源。

2.4 控制過程

電動(dòng)機(jī)每次啟動(dòng)后，首先以高功率檔運(yùn)行，測(cè)量單元開始工作，PLC 開始采集數(shù)據(jù)，并與內(nèi)置三檔功率值的電流值進(jìn)行比較，當(dāng)負(fù)載電流I 等于或小于中功率電流值IM時(shí)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)I 持續(xù)等于或小于中功率電流值IM90 s 時(shí)，則切換至中功率。切換后若電流小于中功率值IM而大于低功率電流值IL，電動(dòng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行，采樣繼續(xù)但不計(jì)時(shí)；若電流等于或小于低功率電流值IL，則計(jì)時(shí)開始，當(dāng)I 持續(xù)等于或小于低功率電流值IL90 s 時(shí)，則切換至低功率。

由高到低逐級(jí)轉(zhuǎn)換，不允許越級(jí)轉(zhuǎn)換，避免出現(xiàn)過載。延時(shí)90 s 是為了避免偶然性波動(dòng)，造成切換頻次高，降低接觸器壽命。

由低到高是直接切換至高功率，允許越級(jí)轉(zhuǎn)換，而且延時(shí)較短，主要從可靠性的角度出發(fā)，防止電動(dòng)機(jī)發(fā)生過載。

無論是運(yùn)行在中功率還是低功率，一旦電流值超過該功率檔設(shè)定電流值，并且持續(xù)30 s 則直接切換至高功率。如果符合過載條件則切斷電源。

3 應(yīng)用情況

在沈陽油田采油三區(qū)安裝了200 套1.14 kV 抽油機(jī)智能拖動(dòng)裝置，由于實(shí)現(xiàn)了高壓運(yùn)行及自動(dòng)跟蹤抽油機(jī)負(fù)載變化，自動(dòng)切換電動(dòng)機(jī)運(yùn)行功率使其達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，同時(shí)具有自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行工況，具有較高防盜竊的IP44 等級(jí)能力，因此具有較好的節(jié)能效果。以4 口井為例，根據(jù)油田節(jié)能測(cè)試報(bào)告，對(duì)安裝前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)分析，見表1。

通過比對(duì)，發(fā)現(xiàn)4 口井的平均節(jié)電率為19.99%，功率因數(shù)大幅度提高，節(jié)電效果顯著。

4 結(jié)論

1）抽油機(jī)高壓節(jié)能控制裝置實(shí)現(xiàn)了高壓運(yùn)行及自動(dòng)跟蹤抽油機(jī)負(fù)載變化，自動(dòng)切換電動(dòng)機(jī)運(yùn)行功率，使其達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。

2）抽油機(jī)高壓節(jié)能控制裝置具有自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行工況和較高防盜竊的IP44 等級(jí)能力。

[1]李學(xué)炎.電動(dòng)機(jī)與變壓器[M].北京:中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,2001:30-31.

[2]許實(shí)章.電動(dòng)機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001：21-23.