淺談我國抽油機電控裝置的發展
1 引 言
抽油機（俗稱叩頭機）是石油開采中的必備設備。一般每個原油生產井都最小使用一個抽油機將蘊藏在地下（或海水中）的石油通過抽油管抽出。據不完全統計，我國陸海共有石油生產油井八萬多個，也就是說石油行業共有八萬多臺抽油機在運行。圖1給出了抽油機的簡化結構圖，其組成可分為抽油桿、拖動電機、平衡重鐵塊、油梁、旋轉軸、凸輪傳動機構、傳送皮帶、安裝支架八大部分。抽油機的每個周期可分為上提抽油桿、下放抽油桿、從上提抽油桿轉換為下放抽油桿、從下放抽油桿轉換為上提抽油桿四個大的階段，所以導致了抽油機的負荷電流曲線如圖2所示。這就決定了抽油機的負載為一周期性變化的負載。
圖1 抽油機簡化結構圖
圖2 抽油機負荷曲線圖
據截止2000年初的統計資料表明，我國石油企業電力系統總用電量327.22×108KWh，其中油氣田生產系統用電206.03×108KWh,油氣田最高用電負荷3057.4MW，生產用電單耗134.8KWh/t。據估計，中國石油天然氣股份公司平均每噸油成本中的電費支出約占20~30%，地方油田生產成本中的電費支出更大，電費支出中抽油機的耗電量占相當大的比重，所以按總公司制定的低成本、高效益原則，保證最大限度的挖掘節電潛力，對抽油機的機械系統和電氣控制系統進行節能改造，可帶來相當可觀的經濟效益。本文分析了抽油機電控裝置的發展現狀，進而探討了其發展趨勢。
2 抽油機節能潛力巨大
過去大部分石油原油生產井的抽油機采用圖1所示的結構（在一些地方油田到今這種控制模式仍有相當多的使用量）。即直接以交流電機作為原動機，通過皮帶傳動，凸輪機構把電動機的旋轉運動轉化為抽油桿的上 、下往復式運動，而交流電機的控制僅是一個開關，如圖3所示。從該圖可見，這種控制方式具有以下幾個特點：
圖3 過去抽油機的控制方案
第一，電機直接起動，起動電流大（一般異步電機起動電流為額定電流的5~7倍）。由于抽油機的井位遠離供電主電網，且一般選取配電變壓器容量有限，所以起動中較大的電流引起供電電壓的下降，經對延長西區采17#石油生產井的實測，起動過程中電網電壓降落達25~30V，因而對同一井區有數口采油井（或數臺抽油機）共用一個變壓器的場合，要求每一臺抽油機彼此之間延時一段時間起動，從而盡可能減小電網電壓在起動過程中的降落。
第二，缺相及過載無法保護，經常造成電機燒壞。由于圖3所示控制方案無法監測電機是否缺相運行，所以當電網缺相(如變壓器斷線，電機內部斷線或接觸不良造成缺相)時，極易使電機燒壞。對過載來講，圖3所示線路亦沒有檢測與保護手段，經常造成電機雖未缺相但過載運行而燒壞，幾乎在各油田都有很多燒壞的抽油機驅動電機。
第三，功率因數很低。由于抽油機圖2所示的負荷曲線，加之電機為感性負載，這種方案在抽油機運行中加到電機兩端的電壓為恒定的電網電壓，因而運行中隨負荷的不同，功率因數很低，經對延長油礦西區采17#石油生產井在圖3所示線路控制下的功率因數進行實測，功率因數最低時為0.125，最高時僅0.54，所以耗電嚴重。現以全國的8萬多臺抽油機平均拖動電機功率為15kW、生產時間平均負荷率按80%（實際拖動電機平均功率大于15kW）計算，全國每年抽油機耗電不少于80000×15×365×24×0.8=8409600000=84.096×108KWh。若采取先進的節能控制裝置，把運行效率及功率因數提高，使總節電率提高10%，則年可節約電能不少于84.096×108=84.096×108KWh。按每度電費0. 4元計算，則可直接產生經濟效益不少于84.096×108×0.4=3.36384×108元=336384000≈3.4億元。
3 抽油機電控裝置百花齊放、百家爭鳴
據統計，我國石油開采成本為發達國家（如美國）的好幾倍，中國石油天然氣總公司從1996年到1998年的三年里通過先進的用電管理技術，使中油集團公司高峰電力得到有效控制，取得直接經濟效益27.9億元。十五期間進一步提出降耗增效策略、降低石油開采成本及提高總體效益成為石油企業共同關注的一個熱點。作為石油生產中用電消耗大戶之一的抽油機節能受到了各油田的普通重視。對抽油機節電裝置的研究，引起了國內電力電子及特種電源行業的普遍關注，到今在各油田正在中試或已投運的電控裝置，從大的方面來看可分為以下幾種：
3.1 直接起動不帶保護方式的控制方案
抽油機的這種電控裝置原理如圖3所示，是過去多用的方案，到今國有大油田幾乎已不在應用，而地方油田（如縣管鉆采公司）中仍有一定應用量。
3.2 直接起動帶過載和缺相保護的方案
這種方案的原理電路如圖4所示。在抽油機運行中加到電機定子上的端電壓仍為固定電壓，所以其功率因數仍然很低。該方案具有手動、自動控制起動抽油機運行的作用，它是通過對交流電機某一相電流的檢測來進行過流保護，而缺相保護是通過對三相電壓的檢測來進行的，具有圖4a)與b)所示的兩種線路。
a) b)
圖4 具有缺相與過載保護的兩種抽油機常用控制線路
圖4a)的工作過程可分析：當電網三相缺一相時，B點電壓便不為零，晶體管VT1導通，進行缺相保護，而當電機過載時比較器A1翻轉，晶體管VT2導通，進行過載保護。該電路的缺點在于電流檢測僅用一相，若A、B兩相中有任一相過載（如電機內部線圈短路），則不能進行可靠地保護；另一方面在電機定子繞組為三角形接法時，既就是電網缺相，但由于正運行的電機通過內部繞組會感應出所缺的這一相電壓，因而晶體管VT1不一定能可靠導通進行缺相保護；另一方面當電網三相不平衡時，B點電壓有可能大于0.7V而進行誤保護。
圖4b)利用缺相時要么接觸器JZ線圈斷電，要么繼電器J1線圈斷電，進行缺相保護、過流保護應用三個電流互感器,保護較圖4a)要可靠點，但當電機定子繞組為三角形接線時，由于正運行的電機通過內部繞組會在所缺的這一相感應出電壓來，所以有可能使缺相保護不可靠的問題仍然存在。
3.3 同時應用電流信號進行缺相過載保護
這種方案仍然采用電機直接起動，以三個電流互感器監測電機三相電流,原理電路如圖5所示。該電路通過把電機運行中三相電流通過電流互感器檢測出經整流后變為直流，當缺相時，則整流后的波形Ud出現缺口，從而缺相保護電路動作；當過載時Ud值增加，超過過載保護門檻，過載保護電路動作，這里要特別注意的是應用該電路時要解決起動時的過載（交流電機直接起動電流為額定電流的5~7倍）保護不應動作，同時起動過程中缺相保護不應動作，應看到這種方案由于加到電機定子側的電壓為固定值，所以其功率因數仍很低，不能進行有效的節能。
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