張乃亮（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

伺服拖動(dòng)系統(tǒng)在喇嘛甸油田的適應(yīng)性分析

張乃亮（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

游梁式抽油機(jī)是油田普遍采用的采油裝置，在工作過程中由于上下沖程的載荷不均勻，嚴(yán)重影響了換向機(jī)構(gòu)、減速箱和電動(dòng)機(jī)的壽命和效率，致使系統(tǒng)能耗偏高。針對(duì)這一問題提出了伺服拖動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)，該技術(shù)可以根據(jù)油井實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)控電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,使之與抽油機(jī)的負(fù)載變化相互匹配,使拖動(dòng)裝置扭矩輸入功率變化趨于平緩，降低油井能耗，提高系統(tǒng)效率。

喇嘛甸油田 游梁式抽油機(jī) 伺服拖動(dòng) 適應(yīng)性分析

D O I:10.3969/j.i ssn.2095-1493.2011.05.003

目前，喇嘛甸油田共有抽油機(jī)井2118口，平均單井系統(tǒng)效率為30.71%，單井能耗為9.68 kW，總能耗占全廠機(jī)采井能耗的1/3。針對(duì)抽油機(jī)井能耗較高的問題，近幾年采取了可控硅調(diào)壓、斷續(xù)供電、電動(dòng)機(jī)合理匹配以及整體參數(shù)優(yōu)化等技術(shù)來降低電能消耗，提高系統(tǒng)效率。以上技術(shù)的實(shí)施對(duì)降低抽油機(jī)井能耗、提高系統(tǒng)效率發(fā)揮了很大的作用，但是未能從根本上解決抽油機(jī)井在抽汲過程中由于載荷不均勻致使能耗依然偏高的現(xiàn)狀，而伺服拖動(dòng)系統(tǒng)可以根據(jù)油井實(shí)際運(yùn)行情況自動(dòng)調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖程速率，降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，平緩?fù)蟿?dòng)裝置的扭矩輸入功率變化，降低油井能耗。在電能利用率上，當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于輕載狀態(tài)時(shí)，其功率因數(shù)會(huì)降低很多，對(duì)于交變載荷的機(jī)械系統(tǒng)，低功率因數(shù)就意味著電能的浪費(fèi)，伺服拖動(dòng)系統(tǒng)基于感性控制的功能，可以使電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)處于0.85以上的較高水平。

1 伺服拖動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)原理

伺服系統(tǒng)屬于自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一種，是具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，它用來控制被控對(duì)象的轉(zhuǎn)角（或位移），使其能夠自動(dòng)、連續(xù)、精確地跟蹤輸入指令[1]。其工作原理是驅(qū)動(dòng)器從外面接收參數(shù)信息，將電流輸送給電動(dòng)機(jī)，通過電動(dòng)機(jī)扭矩帶動(dòng)負(fù)載，負(fù)載根據(jù)自己的特性進(jìn)行動(dòng)作或加速，傳感器檢測負(fù)載的位置，使驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)參數(shù)信息值和實(shí)際位置值進(jìn)行比較，然后通過改變電動(dòng)機(jī)電流使實(shí)際位置值和參數(shù)信息值保持一致[2]，見圖1。

2 伺服拖動(dòng)技術(shù)適應(yīng)性分析

2.1 負(fù)載轉(zhuǎn)矩柔性匹配

（1）軟啟動(dòng)功能

為有效驗(yàn)證伺服控制系統(tǒng)的軟啟動(dòng)以及自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，對(duì)8-2030井常規(guī)狀態(tài)以及伺服控制狀態(tài)的啟動(dòng)電流進(jìn)行了對(duì)比測試，見圖2。

啟動(dòng)電流曲線表明：伺服系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)啟動(dòng)過程中的運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的軟啟動(dòng)，有效降低電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，大大降低啟動(dòng)過程中電動(dòng)機(jī)和機(jī)械系統(tǒng)的載荷沖擊，實(shí)現(xiàn)了大慣性機(jī)械負(fù)載真正意義上的柔性、平滑啟動(dòng)。該技術(shù)特性可以有效解決抽油機(jī)井功率匹配過大的問題，從而可以實(shí)現(xiàn)降低裝機(jī)功率、減少電動(dòng)機(jī)自身能耗的目的。

（2）負(fù)載轉(zhuǎn)矩柔性調(diào)節(jié)特性

伺服控制系統(tǒng)根據(jù)驅(qū)動(dòng)器接收的參數(shù)信息進(jìn)行識(shí)別，然后通過電流控制電動(dòng)機(jī)扭矩來帶動(dòng)負(fù)載，自動(dòng)進(jìn)行動(dòng)作或加速調(diào)節(jié)抽油機(jī)井交變載荷的變化，使電動(dòng)機(jī)、變速箱的輸入、輸出扭矩變化趨于平緩[3]。

對(duì)8-2030井在常規(guī)運(yùn)行以及伺服控制運(yùn)行狀態(tài)下的扭矩曲線進(jìn)行了對(duì)比測試，見圖3。

測試曲線表明：伺服控制系統(tǒng)可以大幅度降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，在遇到換向沖擊載荷或上沖程載荷時(shí)，變速箱和電動(dòng)機(jī)的扭矩輸入功率變化趨于平緩，峰值扭矩明顯降低，改善了機(jī)、桿、泵機(jī)械平衡的柔性配合。電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性與抽油機(jī)負(fù)載特性的有機(jī)結(jié)合，有效降低了機(jī)械沖擊負(fù)載對(duì)機(jī)、桿、泵、變速箱的疲勞損傷，有利于延長設(shè)備使用壽命，減少維修作業(yè)。

2.2 系統(tǒng)化節(jié)能

為有效驗(yàn)證伺服拖動(dòng)系統(tǒng)化節(jié)能效果，對(duì)8-2030井運(yùn)行電流曲線以及能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比測試，見圖4。

運(yùn)行曲線表明：伺服控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制和快速響應(yīng)特性能夠在運(yùn)行過程中根據(jù)負(fù)載的變化對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，合理地協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)行狀態(tài)，使扭矩輸入功率變化趨于平緩，保證抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行能耗最低，切實(shí)地做到了按需供給，不浪費(fèi)有用電能；同時(shí)伺服系統(tǒng)的軟啟動(dòng)特性可以有效解決抽油機(jī)井功率匹配過大的問題，實(shí)現(xiàn)功率匹配合理，電動(dòng)機(jī)自身耗能最低。

2.3 寬范圍無級(jí)調(diào)速

伺服控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在零至額定轉(zhuǎn)速之間任意變速調(diào)節(jié)，且可以恒轉(zhuǎn)矩輸出，在特定工況下可以高于額定轉(zhuǎn)速調(diào)速運(yùn)行，使抽汲參數(shù)的調(diào)整變得更為方便；而且在一個(gè)完整的沖程過程中可以實(shí)現(xiàn)上沖程快、下沖程慢或與之相反的工作模式，設(shè)置比較便捷。

3 伺服拖動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用效果

在8-2030井開展了伺服拖動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，該井由常態(tài)進(jìn)入伺服拖動(dòng)系統(tǒng)工作狀態(tài)后，測試數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。

表1 8-2030井試驗(yàn)效果統(tǒng)計(jì)

應(yīng)用伺服拖動(dòng)系統(tǒng)后裝機(jī)功率降低了8%，電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)由0.43提高至0.81，提高了0.38。高功率因數(shù)的運(yùn)行狀態(tài)，可以大大降低電路損耗。

現(xiàn)場實(shí)施后平均單井有功功率由7.97 kW降至5.68 kW，降低了2.29 kW，有功節(jié)電率達(dá)到28.73%，綜合節(jié)電率為35.11%，平均單井年節(jié)電1.97×104kW·h，投資回收期為53個(gè)月。

該技術(shù)的應(yīng)用既有效降低了系統(tǒng)能耗，同時(shí)也改善了抽油機(jī)交變載荷變化對(duì)桿管的機(jī)械沖擊，延長其使用壽命，減少作業(yè)費(fèi)用。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

（1）伺服控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制和快速響應(yīng)特性對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，可以合理地協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)行狀態(tài)，有效降低系統(tǒng)能耗。

（2）軟啟動(dòng)功能以及伺服控制功能可以有效降低抽油機(jī)井交變載荷帶來的機(jī)械沖擊，使減速箱、電動(dòng)機(jī)輸入扭矩趨于平緩，利于保護(hù)設(shè)備。

（3）伺服控制系統(tǒng)可以使電動(dòng)機(jī)在較高功率因數(shù)狀態(tài)下高效運(yùn)行，大大降低電能消耗。

[1]戈璜.交流伺服異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)的研究[J].石油鉆采工藝，2005(4):110-131.

[2]金以慧.過程控制工程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000:103-123.

[3]徐小增，秦憶.矢量控制異步電動(dòng)機(jī)的自適應(yīng)控制和參數(shù)辯識(shí)[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2002(2).

張乃亮，2003年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東），工程師，從事機(jī)采井節(jié)能工作，E-mail：zhangnailiang@163.com，地址：大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠工程技術(shù)大隊(duì)，163114。

2011-05-23）