浅谈我国抽油机电控装置的发展

1 引言

抽油机（俗称叩头机）是石油开采中的必备设备。一般，每个原油生产井都至少使用一台抽油机，将深藏在地下（或海水中）的石油通过抽油管抽出。据不完全统计，我国陆海共有石油生产油井八万多个，也就是说石油行业共有八万多台抽油机在运行。图1给出了抽油机的结构图。抽油机的每个工作循环可分为上提抽油杆，下放抽油杆，从上提抽油杆转换为下放抽油杆，从下放抽油杆转换为上提抽油杆四个阶段。抽油机的负荷电流曲线如图2所示。显然抽油机的负载为一周期性变化的负载。

图1 抽油机结构图

1—底座；2—支架；3—悬绳器；4—驴头；5—游梁；

6—横梁轴承座；7—横梁；8—连杆；9—曲柄销装置；

10—曲柄装置；11—减速器；12—刹车保险装置；

13—刹车装置；14—电动机；15—配电箱。

图2 抽油机负荷曲线图

据截止2000年初的统计资料表明，我国石油企业总用电量为327.22×10⁸kW·h，其中油气田生产系统用电量为206.03×10⁸kW·h。据估计，中国石油天然气股份公司平均每吨油成本中的电费支出约占20％～30％，地方油田生产成本中的电费支出更高，而电费支出中抽油机占了相当大的比重。因此，对抽油机的机械系统和电气控制系统进行节能改造，可带来相当可观的经济效益。

2 抽油机节能潜力巨大

大部分原油生产井的抽油机采用图1所示的结构，即直接以交流电机作为原动机，通过皮带传动与凸轮机构把电动机的旋转运动转化为抽油杆的上、下往复式运动。对交流电机的控制仅用一个开关，如图3所示。从图3可见，这种控制方式具 有 以 下 几 个 特 点 。

图3 过去抽油机的控制方案

1）电机直接起动，起动电流大 由于抽油机的井位远离供电主电网，且一般选取配电变压器的容量有限，所以，起动中较大的电流引起供电电压的下降。经对延长西区采17＃石油生产井的实测，起动过程中电网电压降落达25～30V，因而，对同一井区数口采油井（或数台抽油机）共用一个变压器的场合，则要求抽油机互相错开起动时间，以尽可能减小电网电压在起动过程中的降落。

2）缺相及过载无法保护，经常造成电机烧坏 由于图3所示控制方案无法监测电机是否缺相运行，所以，当电网缺相(如变压器断线，电机内部断线或接触不良造成缺相)时，极易使电机烧坏。对过载来讲，图3所示线路亦没有检测与保护手段，经常造成电机虽未缺相但过载运行而烧坏，几乎在各油田都有很多被烧坏的抽油机电机。

3）功率因数很低 由于抽油机周期性负荷特点，加之电机为感性负载，因而运行中功率因数很低。经对延长油矿西区采17＃石油生产井的实测功率因数，最低时为0.125，最高时仅0.54，所以耗电严重。现以全国的8万多台抽油机平均电机功率为15kW（实际电机平均功率大于15kW），生产时间平均负荷率按80％计算，全国每年抽油机耗电不少于84.096×10⁸kW·h。若采用先进的节能控制装置，使总节电率提高10％，则年可节电不少于84.096×10⁷kW·h。按0.4元/kW·h计算，则直接经济效益不少于3.4亿元。

3 抽油机电控装置

据统计，我国石油开采成本为发达国家（如美国）的好几倍，中国石油天然气总公司从1996年到1998年的三年里通过先进的用电管理技术，使中油集团公司高峰电力得到有效控制。十五期间又制订出新的降耗增效策略，以进一步降低石油开采成本及提高总体效益。作为石油生产中用电消耗大户之一的抽油机节能问题，则受到了各油田的普通重视。为此，对抽油机节电装置的研究，受到了国内电力电子及特种电源行业的普遍关注，至今，在各油田进行中试或已投运的电控装置，从大的方面来看可分为以下几种。

1）直接起动带过载和缺相保护的方案

这种方案的原理电路如图4所示。在运行中加到电机定子上的端电压仍为固定值，功率因数仍然很低。该方案具有手动、自动控制功能，通过对交流电机某一相电流的检测来进行过流保护，而缺相保护是通过对三相电压的检测来进行的，具有图4（a)与图4（b)所示的两种线路。

对于图4（a)，当电网三相缺一相时，P点电压便不为0，V₁导通，进行缺相保护，而当电机过载时比较器A₁翻转，V₂导通，进行过载保护。缺点在于电流检测仅用一相，若A、B两相中有任一相过载，则不能进行可靠的保护；另外，在电机定子绕组为三角形接线时，既就是电网缺相，但由于运行的电机通过内部绕组会感应出所缺的这一相电压，因而V₁不一定能可靠导通进行缺相保护；另一方面当电网三相不平衡时，P点电压有可能大于0.7V而进行误保护。

图4（b）利用缺相时要么接触器J_Z线圈断电，要么继电器J₁线圈断电，进行缺相保护。过流保护应用三个电流互感器,保护较图4（a）要可靠点，但当电机定子绕组为三角形接线时，缺相保护不可靠的问题仍然存在。