洪微微（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

隨著油田耗能持續(xù)增加，節(jié)能措施不斷涌現(xiàn)[1]，但現(xiàn)有的大多數(shù)節(jié)能措施只是針對(duì)電動(dòng)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行造成電能浪費(fèi)的情況，而抽油機(jī)浪費(fèi)電能的另一個(gè)重要原因是抽油機(jī)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)電[2]，即倒發(fā)電。

1 抽油機(jī)倒發(fā)電危害機(jī)理

1.1 倒發(fā)電特性

在抽油機(jī)的能量消耗構(gòu)成中，使井液上升所消耗的能量，抽油桿上升、下降與井壁井液的摩擦所消耗的能量，以及機(jī)械傳動(dòng)摩擦所消耗的能量，都是抽油機(jī)工作時(shí)不可避免消耗的能量。抽油桿自重的升降所消耗的能量，從理論上可以減少到近乎為零，但實(shí)際使用中卻不是這樣。抽油機(jī)的動(dòng)力是交流電動(dòng)機(jī)，它具有“強(qiáng)”的恒轉(zhuǎn)矩特性。當(dāng)交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速超過電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速時(shí)，曲柄凈轉(zhuǎn)矩為負(fù)[3]（圖1），抽油機(jī)將拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)向電網(wǎng)送電。在實(shí)際測(cè)試抽油機(jī)功率曲線（圖2）中發(fā)現(xiàn)，抽油機(jī)井中交流電動(dòng)機(jī)倒發(fā)電現(xiàn)象非常普遍，這也是造成抽油機(jī)地面系統(tǒng)效率不高的一個(gè)主要因素。

1.2 浪費(fèi)電能機(jī)理

1.2.1 能量浪費(fèi)

從能量轉(zhuǎn)換的角度考慮，取于電網(wǎng)的電能由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，傳送給抽油機(jī)，設(shè)此時(shí)轉(zhuǎn)換效率為η1。當(dāng)減速箱輸入軸的轉(zhuǎn)速大于電動(dòng)機(jī)對(duì)它的驅(qū)動(dòng)速度時(shí)，抽油機(jī)將一部分能量傳送給電動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)機(jī)再將這部分能量轉(zhuǎn)換為電能反饋于電網(wǎng)，設(shè)此時(shí)的轉(zhuǎn)換效率為η2。整個(gè)電能—機(jī)械能—電能轉(zhuǎn)換過程的總效率η0=η1·η2，則整個(gè)轉(zhuǎn)換過程有很大一部分能量被浪費(fèi)掉[2]。

圖1 抽油機(jī)井轉(zhuǎn)矩特性曲線

圖2 抽油機(jī)井電功率曲線

1.2.2 污染電網(wǎng)

由于電動(dòng)機(jī)倒發(fā)電導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，其所發(fā)電的相位及頻率都不能達(dá)到電網(wǎng)的電能質(zhì)量要求，從而會(huì)污染電網(wǎng)，造成電網(wǎng)供電不穩(wěn)，對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，甚至損壞電動(dòng)機(jī)，影響油田生產(chǎn)[4]。

2 消除倒發(fā)電現(xiàn)象技術(shù)方法

解決倒發(fā)電問題的方法有許多，總結(jié)近些年現(xiàn)場(chǎng)大量應(yīng)用的節(jié)能產(chǎn)品的特性，主要有兩類方法可以有效消除倒發(fā)電現(xiàn)象：通過控制曲柄速度，消除曲柄負(fù)轉(zhuǎn)矩來避免發(fā)生倒發(fā)電現(xiàn)象；通過電動(dòng)機(jī)做負(fù)功時(shí)的機(jī)械瞬態(tài)分離，消除動(dòng)力反傳來杜絕倒發(fā)電現(xiàn)象的發(fā)生。

2.1 速度控制技術(shù)

由倒發(fā)電產(chǎn)生特性可知，抑制或消除倒發(fā)電現(xiàn)象可通過減小或平衡電動(dòng)機(jī)與曲柄轉(zhuǎn)速的速度差的方式。目前最便捷的方式是提高電動(dòng)機(jī)端的轉(zhuǎn)速，保持電動(dòng)機(jī)在超過同步轉(zhuǎn)速時(shí)與曲柄轉(zhuǎn)速同步，如變頻控制[5]、斷續(xù)供電[6]及索式柔性控制技術(shù)等，其中效果最明顯的是索式柔性控制技術(shù)。各項(xiàng)技術(shù)的對(duì)比見表1。

2.1.1 柔性控制技術(shù)原理

運(yùn)用運(yùn)動(dòng)狀態(tài)傳感器調(diào)控電動(dòng)機(jī)在曲柄不同位置的速度與功率以及光桿在不同位置的速度與加速度，避免下行速度過快導(dǎo)致抽油機(jī)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，通過實(shí)時(shí)調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，改變抽油機(jī)的剛性拖動(dòng)，使其功率變化平穩(wěn)，從而避免倒發(fā)電現(xiàn)象。

2.1.2 節(jié)能效果

全廠累計(jì)實(shí)施109口井，其中老區(qū)節(jié)能技術(shù)改造94口，新投產(chǎn)井15口。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況可以看出，措施后平均單井有功功率下降了0.85 kW，無功功率下降了9.49 kvar，有功節(jié)電率達(dá)到12.18%，綜合節(jié)電率達(dá)到15.26%，系統(tǒng)效率提高了4.66個(gè)百分點(diǎn)，節(jié)能效果較為顯著。采用柔性控制技術(shù)后效果對(duì)比見表2。

2.1.3 單井應(yīng)用實(shí)例

以L6-2200井為例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況分析可知，柔性技術(shù)控制狀態(tài)下設(shè)備運(yùn)行更為平穩(wěn)。從一個(gè)沖程范圍內(nèi)有功功率的波動(dòng)情況可以看出，工頻狀態(tài)下有功功率的波動(dòng)范圍從-4 kW到12 kW，波動(dòng)幅度為16 kW，特別是工頻狀態(tài)下產(chǎn)生的負(fù)功功率對(duì)電網(wǎng)具有較大的污染，同時(shí)對(duì)機(jī)、桿、泵都有較大的沖擊，將嚴(yán)重影響機(jī)械設(shè)備的使用壽命；柔性控制狀態(tài)下功率波動(dòng)幅度較小，僅為8.5 kW，功率運(yùn)行較為平穩(wěn)，同時(shí)消除了負(fù)功功率，避免了電網(wǎng)污染，既實(shí)現(xiàn)了節(jié)能又有益于設(shè)備使用。L6-2200井在工頻狀態(tài)及柔性狀態(tài)下一個(gè)沖程（取12個(gè)點(diǎn)）的有功曲線見圖3及圖4。

圖3 L6-2200井工頻狀態(tài)下一個(gè)沖程的有功曲線

圖4 L6-2200井柔性狀態(tài)下一個(gè)沖程的有功曲線

2.2 超越離合技術(shù)

采用只能單方向傳輸動(dòng)力的機(jī)械機(jī)構(gòu)，安裝在游梁式抽油機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)中，使電動(dòng)機(jī)只能單向傳遞轉(zhuǎn)矩，就像自行車的飛輪一樣。當(dāng)抽油機(jī)運(yùn)行到下沖程中后期，電動(dòng)機(jī)即將產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩的瞬間，超越離合器內(nèi)部的棘輪結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)脫開，完成瞬態(tài)超越，使抽油機(jī)的動(dòng)力傳送系統(tǒng)變?yōu)閱蜗騽?dòng)力傳動(dòng)，動(dòng)力傳不過去，油桿下降的能量只能轉(zhuǎn)化為平衡塊的機(jī)械能[4]。這時(shí)電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于空載運(yùn)行，抽油機(jī)無法反拖電動(dòng)機(jī)發(fā)電，消除了負(fù)功，杜絕了倒發(fā)電現(xiàn)象，同時(shí)提高了電動(dòng)機(jī)和皮帶的傳動(dòng)效率，可達(dá)到提高系統(tǒng)效率及節(jié)能的目的。

表1 速度控制技術(shù)對(duì)比

表2 柔性控制技術(shù)效果對(duì)比統(tǒng)計(jì)

表3 超越離合器效果對(duì)比統(tǒng)計(jì)

圖5 安裝前功率曲線

2.2.1 節(jié)能效果

全廠累計(jì)實(shí)施131口井。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況可以看出，實(shí)施措施后平均單井有功功率下降了1.13 kW，有功節(jié)電率達(dá)到8.16%，綜合節(jié)電率達(dá)到10.13%，系統(tǒng)效率提高了5.83個(gè)百分點(diǎn)，節(jié)能效果較為顯著。安裝超越離合器前、后的效果對(duì)比見表3。

2.2.2 單井應(yīng)用實(shí)例

以L5-2414井為例，從功率與電流曲線看，峰值功率由55.10 kW下降到52.40 kW，下降了2.7 kW，消除了負(fù)轉(zhuǎn)矩，具有明顯超越效果，抑制了電動(dòng)機(jī)倒發(fā)電現(xiàn)象。安裝超越離合器前、后的功率曲線見圖5及圖6。

3 結(jié)論

1）實(shí)施柔性控制技術(shù)后電動(dòng)機(jī)運(yùn)行功率平緩，消減了峰值轉(zhuǎn)矩，同時(shí)消除了工頻狀態(tài)下產(chǎn)生的負(fù)功功率，既實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，又避免了負(fù)功功率對(duì)電網(wǎng)的污染。

圖6 安裝后功率曲線

2）超越離合技術(shù)改變了抽油機(jī)原本的傳動(dòng)原理，通過單向轉(zhuǎn)矩傳送，解決了電動(dòng)機(jī)倒發(fā)電的問題，徹底消除了負(fù)功，有效提高電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)效率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。

3）抽油機(jī)運(yùn)用速度控制技術(shù)和超越離合技術(shù)，均可以有效消除倒發(fā)電現(xiàn)象，同時(shí)降低了抽油機(jī)有功及無功功率，提高了系統(tǒng)效率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目的。