淺談PC型節(jié)能控制器在游梁式抽油機(jī)節(jié)能中的應(yīng)用
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摘要：針對(duì)油田抽油機(jī)負(fù)載變化頻繁，其對(duì)應(yīng)的配套感應(yīng)電動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于輕載狀態(tài)，效率低電能浪費(fèi)大的特點(diǎn)，介紹了用PC 型節(jié)能控制器對(duì)油田游梁式抽油機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造的方法。該方法為抽油用三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)提高效率，降低用電成本提供了理論依據(jù)．實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法是正確有效的。測(cè)試都表明，該節(jié)能控制器有很明顯的節(jié)能效果。
論文關(guān)鍵詞：抽油機(jī),pc節(jié)能控制器,節(jié)能
游梁式抽油機(jī)是石油生產(chǎn)的主要設(shè)備，也是主要的耗能設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計(jì)在油田生產(chǎn)成本中約有三分之一為電能消耗，而游梁式抽油機(jī)消耗的電能約占總電能消耗的8O% ，目前我國(guó)抽油機(jī)的保有量在1O萬臺(tái)以上，電動(dòng)機(jī)總裝機(jī)容量在3500 Mw 以上，年耗電逾百億kw .h。抽油機(jī)的運(yùn)行效率比較低，在我國(guó)平均運(yùn)行效率僅為25.96%，國(guó)外平均水平為3O.O5% ，年節(jié)能潛力可達(dá)幾十億kw .h�？梢姡托袠I(yè)是推廣“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能”的重點(diǎn)行業(yè)
。
游梁式抽油機(jī)是一個(gè)變形的四連桿機(jī)構(gòu)，通過抽油載荷和平衡配重的平衡，用很小的動(dòng)力就可以使抽油機(jī)不斷的工作。但是，由于液面是不斷變化的，抽油載荷也隨著不斷的變化，而平衡配重和電動(dòng)機(jī)的功率是固定的；并且為避免抽油機(jī)出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象，在最初的設(shè)計(jì)中，與抽油機(jī)配套的電動(dòng)機(jī)的功率要留有很大的功率裕度。這樣就產(chǎn)生了抽油機(jī)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，電動(dòng)機(jī)空載、輕載現(xiàn)象十分嚴(yán)重，使得電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)比較低，整個(gè)系統(tǒng)的效率也比較低，造成能源的極大浪費(fèi)。
新疆大學(xué)校、院聯(lián)合資助項(xiàng)目（XY080139）
為了解決抽油機(jī)配套電動(dòng)機(jī)的不合理運(yùn)行狀況，各油田采取了許多節(jié)電措施，使用“節(jié)能控制器”就是其中最重要的一種
。近年來，由美國(guó)太空總暑（NASA）90年推出具有人工智能最新節(jié)能產(chǎn)品“PC節(jié)能王”，該產(chǎn)品是傳統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)電器的換代產(chǎn)品。
為了解決抽油機(jī)運(yùn)行效率低，即“大馬拉小車” 現(xiàn)象,我們?cè)谛陆凸静捎腿龔S五3東區(qū)57027井上使用了Preformance Controtter型號(hào)的節(jié)能控制器，在二十多天的帶負(fù)載試驗(yàn)中，我們和采油三廠二作業(yè)區(qū)以及生產(chǎn)運(yùn)行設(shè)備科的工作人員共同對(duì)該節(jié)能控制器的節(jié)電效果進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該節(jié)能控制器的節(jié)電率非常之高，達(dá)到了 50%左右，節(jié)電效果非常明顯。根據(jù)油田抽油機(jī)實(shí)際的運(yùn)行情況我們對(duì)抽油機(jī)拖動(dòng)裝置進(jìn)行了大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)、測(cè)試和分析，證明抽油機(jī)安裝PC型節(jié)能控制器具有顯著的節(jié)能效果
。
1 PC型節(jié)能控制器
為了解決抽油機(jī)配套電動(dòng)機(jī)的不合理運(yùn)行狀況，各油田采取了許多節(jié)電措施，市場(chǎng)上也出現(xiàn)了許多針對(duì)抽油機(jī)的節(jié)電產(chǎn)品，這些節(jié)電產(chǎn)品大多是對(duì)抽油機(jī)的控制電路進(jìn)行改造，統(tǒng)稱為“抽油機(jī)節(jié)電控制器”。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，抽油機(jī)節(jié)電器技術(shù)也得到進(jìn)一步提高，功能上更加完善，尤其是更能適應(yīng)油田惡劣的野外環(huán)境
。
“PC節(jié)能王”在設(shè)計(jì)上完全不同于傳統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，它采用了電流電壓矢量傳感態(tài)監(jiān)控與脈寬調(diào)制（PWM）有機(jī)結(jié)合的獨(dú)特控制技術(shù)，不改變電機(jī)的一切運(yùn)行特性，從而避免了變頻器因調(diào)低速度而導(dǎo)致生產(chǎn)率下降的弊端，填補(bǔ)了變頻節(jié)能器所不能及的空白，是當(dāng)今最新太空科技成果的結(jié)晶。
PC型節(jié)能控制器是由美國(guó)“節(jié)能有限公司”生產(chǎn)的，該公司生產(chǎn)和銷售高質(zhì)量的能夠調(diào)節(jié)交流感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)的電子電機(jī)節(jié)能控制器。這種控制器是一種安裝于現(xiàn)存的電機(jī)啟動(dòng)器和交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)之間的獨(dú)立的固態(tài)裝置。它通過自動(dòng)的、不間斷的更新電機(jī)的磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了真正的斜坡型軟啟動(dòng)和獨(dú)特的節(jié)能特性。通過改變電機(jī)的磁場(chǎng)，減少能耗，使之剛好達(dá)到機(jī)器運(yùn)行所需的水平。
這種節(jié)能控制器，在單相和三相中都可以用，它可以使用在高達(dá)40安培、240伏的單相單元中，50Hz或60Hz都行，而三相的控制器可以使用在1hp到400hp，高達(dá)575伏的的電壓中，50Hz或60Hz都行。按照設(shè)計(jì)，節(jié)能控制器是和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的跨線啟動(dòng)器一起使用的。它是根據(jù)工作負(fù)荷來調(diào)節(jié)能量使用的新一代的控制器。
這一節(jié)能控制器對(duì)電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)響應(yīng)沒有任何負(fù)面影響，因此它不能被看成是一個(gè)變速驅(qū)動(dòng)器或和變速驅(qū)動(dòng)器一起使用。它只調(diào)節(jié)供給電機(jī)的能量。
節(jié)能控制器的作用是監(jiān)測(cè)交流感應(yīng)電機(jī)，從而使其以最高效率運(yùn)行�？刂破骶_監(jiān)控電機(jī)電流和電壓的相位差，使其在當(dāng)前的負(fù)載下剛好保持額定速度和扭矩。電壓、電流和功率都降低了，從而減少了能耗及起動(dòng)峰值。
技術(shù)一流的電子電路可以不斷地測(cè)出電機(jī)的負(fù)荷。當(dāng)電機(jī)的實(shí)際負(fù)荷低于額定負(fù)荷時(shí)，這一感應(yīng)電路就可以把供給電機(jī)的能量降低到電機(jī)剛好所需的水平。這樣就降低了電機(jī)的能量消耗。具有的固態(tài)軟啟動(dòng)功能把啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流降低了50%之多。從而減輕了機(jī)械起動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)鏈和負(fù)載裝置的沖擊力。
軟起動(dòng)和節(jié)能兩種特點(diǎn)通過降低電機(jī)的運(yùn)行溫度約100F—200F，而延長(zhǎng)了其使用壽命。軟啟動(dòng)減少了絕緣損壞，防止了很高的不必要的啟動(dòng)電流，也降低了沖擊電流。啟動(dòng)時(shí)的電流強(qiáng)度通常能達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)電流強(qiáng)度的500%—1500%。這一由硬啟動(dòng)形成的強(qiáng)大沖擊電流會(huì)在電機(jī)線圈中產(chǎn)生“熱點(diǎn)”， 從而直接導(dǎo)致電機(jī)燒毀。把沖擊電流降低一半可以明顯的降低電機(jī)中的熱積累，特別是那些由 管理（EMS）進(jìn)行運(yùn)作的和經(jīng)常起動(dòng)和停止的電機(jī)。
該節(jié)能控制器具有許多電氣功能，能量節(jié)省是通過閉環(huán)反饋系統(tǒng)的方法來實(shí)現(xiàn)的，控制器中的感應(yīng)回路將電機(jī)中的電流和電壓的波形進(jìn)行對(duì)比。因?yàn)檫@是一個(gè)感應(yīng)回路，所以電壓和電流的波形的起始點(diǎn)是不同的、電動(dòng)機(jī)所受到的負(fù)荷越小，電流和電壓波形中的相位差就越大。在沒有負(fù)載的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)的效率是最低的，其波形之間的差距也最大。我們測(cè)量?jī)蓚�(gè)波形之間的差值并把它和一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的波形進(jìn)行比較。通過實(shí)際波形和理想波形之間的對(duì)比，我們就得出了誤差電壓。這一誤差電壓被用來產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，這一觸發(fā)脈沖決定我們向電機(jī)供電時(shí)間的長(zhǎng)短。誤差電壓越大，觸發(fā)脈沖的時(shí)間就越短，相反，誤差電壓越小，觸發(fā)脈沖的時(shí)間就越長(zhǎng)。
通過這種方式我們可以控制供給電機(jī)的能量�；芈返乃俣缺槐３衷谝粋�(gè)較高的水平上，這樣它可以在1秒內(nèi)把它發(fā)給電機(jī)的信號(hào)改變120次。這一速度比電機(jī)所能運(yùn)行的速度快的多，它對(duì)防止電機(jī)在任何情況下的熄火是必要的。
軟啟動(dòng)是通過使用一個(gè)定時(shí)斜坡回路來實(shí)現(xiàn)的�；芈范〞r(shí)逐漸向電機(jī)輸送能量，隨著電壓的逐漸增加，電流是慢慢的增加，這種增加將持續(xù)到使電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)，啟動(dòng)瞬間到全速運(yùn)行前的30秒可以被調(diào)節(jié)，也使電壓達(dá)到額定電壓。
根據(jù)油田抽油機(jī)實(shí)際的運(yùn)行運(yùn)行情況我們對(duì)抽油機(jī)拖動(dòng)裝置進(jìn)行了大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)、測(cè)試和分析。證明抽油機(jī)安裝PC型節(jié)能控制器具有明顯的節(jié)電效果。
2 pc節(jié)能控制器在抽油機(jī)上的應(yīng)用測(cè)試和計(jì)算
該測(cè)試是在新疆采油三場(chǎng)二作業(yè)區(qū)3東區(qū)10號(hào)站進(jìn)行的，測(cè)試井號(hào)為57027，測(cè)試裝采用上海光明電控設(shè)備廠生產(chǎn)的LMZL-0.5型單項(xiàng)電度表和上海西郊儀表廠生產(chǎn)的DJYC型電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)測(cè)試儀，使用的節(jié)能控制器的型號(hào)為PC3-3-50-11-86，其具體參數(shù)如表1.該測(cè)試是采油三廠二工作區(qū)工程組具體安排測(cè)試記錄的，記錄結(jié)果如表2，該測(cè)試從2003年7月31日到8月28日，其中前13天安裝了節(jié)能控制器，后12天（停機(jī)3天）沒有安裝節(jié)能控制器。測(cè)試結(jié)果如下：
表1 抽油機(jī)使用控制器的實(shí)地測(cè)試報(bào)告（一）
項(xiàng)目
起止日期及開關(guān)機(jī)時(shí)間
負(fù)荷狀態(tài)
相電流（Ａ）
相電壓（Ｖ）
電度總讀數(shù)（ｋｗＨ）
�。�
�。�
Ｃ
�。�
�。�
�。�
控制器
未投入
�。�.１３～８.２８（８.１９～８.２2停機(jī)）共１２天
帶
負(fù)
載
�。玻�.８３
２９.０８
�。�9.１９
�。玻常�.７
�。玻常�.１
２２７.１
�。常�×３×２０＝２１００
控制器投入
７．３１～８.１３接入運(yùn)行共１３天
帶
負(fù)
載
�。保�.４７
�。保�.１９
１７.８６
２３２.６
�。玻常�.７
�。玻常�.２
�。保�×３×２０＝１１４０
綜合節(jié)電率
�。矗�.８％
表2 抽油機(jī)使用控制器的實(shí)地測(cè)試報(bào)告（二）
安裝ＰＣ節(jié)能控制器節(jié)能效果檢測(cè)驗(yàn)收?qǐng)?bào)告
用戶情況
用戶名稱
采油三廠二作業(yè)區(qū)
電話
�。叮福保常保�
井號(hào)５７０２７
油井情況
產(chǎn)量
平均產(chǎn)液量２０.４ｔ
井深２１０１.３９ｍ
運(yùn)行情況
投入前
投入后
�。冈拢保橙罩粒冈拢玻溉展灿�(jì)１５天，其中８月１９日至８月２２日停機(jī)３天，共統(tǒng)計(jì)１２天，每日以２４小時(shí)計(jì)，共２８8小時(shí)
�。吩拢常比罩粒冈拢保橙者\(yùn)行１３天，每日以２４小時(shí)計(jì)算，共３１２小時(shí)
安裝前
平均電流
液耗油電量
產(chǎn)液量
平均單耗
�。玻�.４２Ａ
�。玻保埃埃耄鳎�
�。保梗�
�。保保�.５３
安裝后
平均電流
液耗油電量
產(chǎn)液量
平均單耗
１７.８４Ａ
�。保保矗埃耄鳎�
�。玻�.３ｔ
�。担�.５２
前后對(duì)比
減�。保�.５８Ａ
日耗電減�。福�.３１ｋｗｈ
產(chǎn)液量增加２.３ｔ
平均單耗減少５７.０１ｋｗｈ
從表1中，我們可以看出，使用節(jié)能控制器后，綜合節(jié)電效率達(dá)到４９.８％，節(jié)能效果非常明顯。從測(cè)試報(bào)告中，我們可以看到，測(cè)量設(shè)備是單相電度表，測(cè)得的數(shù)據(jù)是電能（kwh）。
其綜合節(jié)電公式：
式中：
---安裝節(jié)能控制器前小時(shí)耗電量；
----安裝節(jié)能控制器后小時(shí)耗電量
3結(jié)束語
應(yīng)用pc型節(jié)能控制器改造游梁式抽油機(jī)是提高工藝水平、節(jié)能挖潛、增加效益的重要途徑，今后必將得到更廣泛的應(yīng)用，為企業(yè)創(chuàng)造巨大的效益。該控制系統(tǒng)可使抽油機(jī)在其不同負(fù)載變化時(shí)始終處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及節(jié)能測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)具有工作性能可靠、操作方便、節(jié)能效果好等特點(diǎn)。這種節(jié)能方法，將為油田常規(guī)游梁式抽油機(jī)節(jié)能改造提供一條新途徑。
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