[发明专利]游梁式抽油机节能控制装置

说明书

技术领域

本发明涉及石油开采机械领域，尤其涉及一种游梁式抽油机的节能控制装置。

背景技术

游梁式抽油机是广泛应用于油田系统的开采机械，其结构简单、可靠性高；但是启动扭矩大、平衡效果差，在一个冲次内载荷变化较大，当抽吸工况变化时，载荷也随之变化，这就决定了在选取抽油机时，势必留有一定的功率容量。因而造成了效率低、功率因数低、电能附加损耗大。目前，我国抽油机电动机装机总容量约3500MW，每年耗电量逾百亿kW·h。抽油机的运行效率低，年节能潜力可达几十亿kW·h。

油田普遍采用的游梁式抽油机，多采用异步电动机驱动，异步电动机之所以广泛被采用，是由于它具有结构简单、制造容易、价格低廉、运行可靠、维护方便和效率较高等一系列优点。和同容量的直流电动机相比，异步电动机的重量约为直流电动机的一半，其价格仅为直流电动机的1/3左右。且异步电动机的交流电源可直接取自电网，用电既方便又经济。

抽油机电动机的每个工作循环中包括三种不同的工况，即感应电动机重负载工况、异步发电机工况及电动机空载与轻载工况。后者的一个典型工作状态则是零输入状态。图1是其工作循环的一个典型曲线。这是采用6极异步电动机驱动时通过实际测试得到的转速随时间变化的曲线。其中转速超过1000r/min时为发电机工况，否则为电动机负载或空载工况。从图1可以看出，在一个循环中，包括了一个发电机工况、两个重载工况以及多个空载或轻载工况。图2是某油井原始状态时的实测功率曲线.也可以看出，一个工作循环中包括电动机重载工况2个(图中的1与2)，发电工况1个(图中的5)，还有轻载、空载工况(图中的3与4)。

油田供电大多采用35kV直配的供电方式，配电变压器和低压配电装置设在计量站，再由计量站经低压电缆辐射配电至抽油机电机。由变压器一般向7～8台游梁式抽油机供电，供电距离通常在百米至数百米之内，每台抽油机随机工作在循环工况中不同的瞬时工况，处于发电工况的抽油机发出的电能被临近处于电动机工况的抽油机所利用，每个计量站配电自成子系统，这部份能量一般在子系统内流动，不会传输给上一级电网，从而节约了电网系统的能量。抽油机发电属异步电机发电，是至今仍在小型水力、风力发电广泛采用的一种方式，这是由于它与同步发电机相比有如下优点：不需直流激励，结构简单，坚固(自激异步发电机一般用鼠笼型转子)，运行可靠，易于维护修理，投入电网简单容易，且易于采用自动控制，造价较廉。

由于众所周知的电机可逆性原理：一台电机既可作为电动机运行，也可作为发电机运行。游梁式抽油机电动机作为一个典型例子：其在运行中，由于负荷周期性交变，每个冲次存在一个或两个发电工况(与电网同压、同频、同相序，存在一定的功率由电机流向电网-被网内其他用电设备-如临近的抽油机-所消耗)。特别应该指出的是：抽油机电机在整个运行过程中，按电动机状态转子正确转向接线后，发电工况时接线方式无须作任何变动，电动和发电工况转换时亦无须进行任何操作。

在计量时，习惯上，以电动机工况消耗的有功功率为正值，而发电机工况发出的有功功率为负值(即电机向电网送电)。现场对抽油机电动机输入功率测试时，屡屡发现抽油机有功功率表出现周期性的反转现象，即说明产生了负功率。因此，解决负功率问题具有重要的节能意义。

油田一般位于电网末端，油区面积大，配电线路长，输电的线路损失不可忽视。又由于每一口油井的参数都不一样，在选配抽油机时，不可能做到刚好和抽油机的功率档次相匹配，一般留有一定的功率裕量；各型抽油机在配用电动机时，为了保证抽油机在各种工况下正常运行，也留有一定的功率余量；随着油井由浅入深的抽取，油井的产液量越来越少，抽油机的负荷也相应减小。由于上述原因，就造成了抽油机的实际负载率普遍偏低，大部分抽油机的负载率在20％～30％之间，形成“大马拉小车”的现象。而当电动机处于轻载运行时，其效率和功率因数都较低，油田配电系统的功率因数长期偏低，低压配电线路线损过大，配电变压器经低压电缆辐射配电至抽油机电机，宜采取电动机就地无功补偿方式。而现有的无功补偿装置由于大多采用了抽油机运转时变化很快的功率因数作信号，而装置又毫无例外的采用了延时投切的策略，故不能发挥应有的作用。

现有技术中已有一些方法用于解决上述问题，例如CN2702083Y中提到的游梁式抽油机调压和无功补偿控制装置，还有CN1808887A中提到的游梁式抽油机异步电机节能控制方法和控制装置，但是这些方案的具体实现都比较复杂，并且不能提高抽油机的综合节能。

发明内容

(一)要解决的技术问题