李 宏 闫苏莉 西安石油学院
李玉生 王 琪 延长油矿管理局电力处
1 引 言
抽油机（俗称叩头机）是石油开采中的必备设备。一般每个原油生产井都最小使用一个抽油机将蕴藏在地下（或海水中）的石油通过抽油管抽出。据不完全统计，我国陆海共有石油生产油井八万多个，也就是说石油行业共有八万多台抽油机在运行。图1给出了抽油机的简化结构图，其组成可分为抽油杆、拖动电机、平衡重铁块、油梁、旋转轴、凸轮传动机构、传送皮带、安装支架八大部分。抽油机的每个周期可分为上提抽油杆、下放抽油杆、从上提抽油杆转换为下放抽油杆、从下放抽油杆转换为上提抽油杆四个大的阶段，所以导致了抽油机的负荷电流曲线如图2所示。这就决定了抽油机的负载为一周期性变化的负载。
图1 抽油机简化结构图
图2 抽油机负荷曲线图
据截止2000年初的统计资料表明，我国石油企业电力系统总用电量327.22×108kwh，其中油气田生产系统用电206.03×108kwh,油气田最高用电负荷3057.4mw，生产用电单耗134.8kwh/t。据估计，中国石油天然气股份公司平均每吨油成本中的电费支出约占20~30%，地方油田生产成本中的电费支出更大，电费支出中抽油机的耗电量占相当大的比重，所以按总公司制定的低成本、高效益原则，保证最大限度的挖掘节电潜力，对抽油机的机械系统和电气控制系统进行节能改造，可带来相当可观的经济效益。本文分析了抽油机电控装置的发展现状，进而探讨了其发展趋势。
2 抽油机节能潜力巨大
过去大部分石油原油生产井的抽油机采用图1所示的结构（在一些地方油田到今这种控制模式仍有相当多的使用量）。即直接以交流电机作为原动机，通过皮带传动，凸轮机构把电动机的旋转运动转化为抽油杆的上 、下往复式运动，而交流电机的控制仅是一个开关，如图3所示。从该图可见，这种控制方式具有以下几个特点：
图3 过去抽油机的控制方案
第一，电机直接起动，起动电流大（一般异步电机起动电流为额定电流的5~7倍）。由于抽油机的井位远离供电主电网，且一般选取配电变压器容量有限，所以起动中较大的电流引起供电电压的下降，经对延长西区采17#石油生产井的实测，起动过程中电网电压降落达25~30v，因而对同一井区有数口采油井（或数台抽油机）共用一个变压器的场合，要求每一台抽油机彼此之间延时一段时间起动，从而尽可能减小电网电压在起动过程中的降落。
第二，缺相及过载无法保护，经常造成电机烧坏。由于图3所示控制方案无法监测电机是否缺相运行，所以当电网缺相(如变压器断线，电机内部断线或接触不良造成缺相)时，极易使电机烧坏。对过载来讲，图3所示线路亦没有检测与保护手段，经常造成电机虽未缺相但过载运行而烧坏，几乎在各油田都有很多烧坏的抽油机驱动电机。
第三，功率因数很低。由于抽油机图2所示的负荷曲线，加之电机为感性负载，这种方案在抽油机运行中加到电机两端的电压为恒定的电网电压，因而运行中随负荷的不同，功率因数很低，经对延长油矿西区采17#石油生产井在图3所示线路控制下的功率因数进行实测，功率因数最低时为0.125，最高时仅0.54，所以耗电严重。现以全国的8万多台抽油机平均拖动电机功率为15kw、生产时间平均负荷率按80%（实际拖动电机平均功率大于15kw）计算，全国每年抽油机耗电不少于80000×15×365×24×0.8=8409600000=84.096×108kwh。若采取先进的节能控制装置，把运行效率及功率因数提高，使总节电率提高10%，则年可节约电能不少于84.096×108=84.096×108kwh。按每度电费0. 4元计算，则可直接产生经济效益不少于84.096×108×0.4=3.36384×108元=336384000≈3.4亿元。
3 抽油机电控装置百花齐放、百家争鸣
据统计，我国石油开采成本为发达国家（如美国）的好几倍，中国石油天然气总公司从1996年到1998年的三年里通过先进的用电管理技术，使中油集团公司高峰电力得到有效控制，取得直接经济效益27.9亿元。十五期间进一步提出降耗增效策略、降低石油开采成本及提高总体效益成为石油企业共同关注的一个热点。作为石油生产中用电消耗大户之一的抽油机节能受到了各油田的普通重视。对抽油机节电装置的研究，引起了国内电力电子及特种电源行业的普遍关注，到今在各油田正在中试或已投运的电控装置，从大的方面来看可分为以下几种：
3.1 直接起动不带保护方式的控制方案
抽油机的这种电控装置原理如图3所示，是过去多用的方案，到今国有大油田几乎已不在应用，而地方油田（如县管钻采公司）中仍有一定应用量。
3.2 直接起动带过载和缺相保护的方案
这种方案的原理电路如图4所示。在抽油机运行中加到电机定子上的端电压仍为固定电压，所以其功率因数仍然很低。该方案具有手动、自动控制起动抽油机运行的作用，它是通过对交流电机某一相电流的检测来进行过流保护，而缺相保护是通过对三相电压的检测来进行的，具有图4a)与b)所示的两种线路。
a) b)
图4 具有缺相与过载保护的两种抽油机常用控制线路
图4a)的工作过程可分析：当电网三相缺一相时，b点电压便不为零，晶体管vt1导通，进行缺相保护，而当电机过载时比较器a1翻转，晶体管vt2导通，进行过载保护。该电路的缺点在于电流检测仅用一相，若a、b两相中有任一相过载（如电机内部线圈短路），则不能进行可靠地保护；另一方面在电机定子绕组为三角形接法时，既就是电网缺相，但由于正运行的电机通过内部绕组会感应出所缺的这一相电压，因而晶体管vt1不一定能可靠导通进行缺相保护；另一方面当电网三相不平衡时，b点电压有可能大于0.7v而进行误保护。
图4b)利用缺相时要么接触器jz线圈断电，要么继电器j1线圈断电，进行缺相保护、过流保护应用三个电流互感器,保护较图4a)要可靠点，但当电机定子绕组为三角形接线时，由于正运行的电机通过内部绕组会在所缺的这一相感应出电压来，所以有可能使缺相保护不可靠的问题仍然存在。
3.3 同时应用电流信号进行缺相过载保护
这种方案仍然采用电机直接起动，以三个电流互感器监测电机三相电流,原理电路如图5所示。该电路通过把电机运行中三相电流通过电流互感器检测出经整流后变为直流，当缺相时，则整流后的波形ud出现缺口，从而缺相保护电路动作；当过载时ud值增加，超过过载保护门槛，过载保护电路动作，这里要特别注意的是应用该电路时要解决起动时的过载（交流电机直接起动电流为额定电流的5~7倍）保护不应动作，同时起动过程中缺相保护不应动作，应看到这种方案由于加到电机定子侧的电压为固定值，所以其功率因数仍很低，不能进行有效的节能。
3.4 应用电容补偿提高功率因数
由于抽油机负载特性所决定的抽油机拖动电机工作时的功率因数不会太高，因而在油田有许多抽油机的控制装置应用电容直接补偿功率因数。现一般应用的为在电机三相定子绕组上并接一固定三相电容，由于电容值固定，所以补偿效果只能使抽油机工作的功率因数提高，而不能达到最优。经对延长油矿西区采17#生产油井采用固定式电容补偿效果的测试表明，抽油机运行中功率因数为0.54~0.98，比不补偿时的0.154~0.5提高了很多，但仍不是都大于0.9，同时由于加到电机定子侧的电压恒定，所以电机的损耗并未降低。
3.5 应用变频器来按电机负载情况进行调速
由于抽油机的负载特性是一个波动负载，所以应用变频器来控制电机，按电机负载的大小不同而通过变频器对电机进行变频调速，轻载时使电机的转速降低，从而得到近似于泵类负载的节能效果，这种方案的缺点表现在变频器的价格为电机价格的好几倍，推广难度大，同时由于抽油机运行环境的恶劣，其可靠性亦存在问题，现场维护力量跟不上，是油田不太喜欢的方案。
3.6 保持电机转速恒定，按负载大小调压
这种方案是各电力电子企业和科研单位正在开发探讨的方案。国内亦有几台从日本进口的此类设备，其工作原理是按抽油机负载的周期性变化，通过晶闸管调节加到电机定子侧的电压值，从而使电机的实际运行电流减小，保证在运行过程中电机的铁损耗与铜损耗相等，从而减小电机空载及轻载时的损耗。经测试采用这种调节方法后，可使电机的损耗减小20~30%，同时由于采用晶闸管调压，所以可以解决电机的软起动、缺相保护、过载保护等问题。再应看到由于使用晶闸管作为无触点开关，省略了接触器，从而解决了接触器有触点，工作寿命相对较短（触点寿命仅一万多次）的问题。
4 抽油机电控装置的发展趋势探讨
由于抽油机是石油开采中必须使用的设备，随着国民经济的飞速发展，国内对石油的需求量逐年增加，可以断言今后几年抽油机的使用量将从目前的8万多台有很大的增加，所以抽油机电控装置的发展将不可避免，对抽油机电机控制的研究将会有一个很大的飞跃，其发展趋势可以探讨如下：
4.1 直接起动不带保护的抽油机电机控制方案将快速退出历史舞台
由于这种控制方案的前述弊端，已不在大、中油田的采油企业中使用，地方油田将很快淘汰这种抽油机控制设备。
4.2 具有软起动、缺相、过载保护及功率因数补偿的抽油机电机控制方案将大面积推广和应用
为保护抽油机电机不被烧坏，所以具有软起动、缺相、过载保护及功率因数补偿的带有智能化控制的抽油机电控设备将获得大面积推广和使用，应特别强调的是这种控制设备中补偿电容将不是固定地接在抽油机电机的定子两端，而将是根据抽油机负载曲线随时自动切换补偿电容的数量，从而使抽油机工作中整个周期内的功率因数都补偿到0.9以上。另外其缺相保护，过载保护性能将更加灵敏、更加迅速、更加准确和可靠。
4.3 保持电机转速稳定，具有多种保护功能及功率因数补偿的抽油机控制设备将是抽油机电控设备的发展主流
保持电机转速稳定，按抽油机负载调压，同时具有多种保护功能及功率因数补偿的抽油机控制设备将是抽油机电控设备的发展主流，由于这种抽油机控制方案具有保护功能齐全、自身带有软起动、缺相 、过载、电机过热等保护，且可根据地下油藏及抽油量的大小而自动调节抽油机电机的端电压，同时有功率因数补偿环节，可极大的减小抽油机工作中拖动电机的损耗，实现很好的节能效果 ，毫无疑问，这种方案将是抽油机电机控制方案的主流，将在各油田获得广泛应用，其市场前景巨大。
4.4 带有遥控遥测功能，具有完善保护能力，可节能的抽油机电机控制器是一个研究热点
由于采油井分布地域复杂，有的位于高山之上，有的位于河谷，有的位于沙漠腹地，各井位之间有相当的距离，在油田并不是每个生产油井都有人值班，所以带有遥测和遥控装置，同时保护功能齐全、功率因数高及节能效果明显的抽油机控制装置将是抽油机电机控制设备的一个发展方向。这种控制器可以实现多台抽油机的集中控制,达到巡回检测，群控等功能，能把抽油机的生产运行情况及时向中央控制站报告，特别符合油田的生产需要，是未来几年内抽油机控制器的一个研究热点，将代表着抽油机电机控制器的发展方向。
4.5 抽油机电控装置将从结构外观和性能上百尺竿头，更进一步
由于抽油机工作环境十分恶劣，要求其电控装置具有防霉、防雨、防爆等功能，所以随着研究的深入，抽油机电控装置的结构将朝着具有上述三防功能、体积更加缩小、更便于维修和散热，其控制和性能将更加智能化，更加适合油田使用的方向发展。
4.6 抽油机电控设备的备品备件将系列化、标准化
随着国家对抽油机电控设备标准的逐步完善，抽油机电控设备的备品备件将系列化、标准化，改变目前每个厂家一种方案、一种外形、一种线路的分散式游击队作法，而实现通用化、模块化，其互换性将逐步增强。更应提到由于油井工作区域的复杂，分布地域辽阔，所以傻瓜型抽油机电控设备将是抽油机电控装置的另一个重要发展方向。
4.7 抽油机电控设备的供电方式将获突破
现在抽油机电控设备的供电都采用电能的有线传输，由于原油生产井分布广阔，地域、地形复杂，使输电线的架设和栽电杆成为原油生产中一个十分困难的问题，感应电能传输技术在新西兰、日本、德国等国家其他行业的成功使用，为电能的无线传输在石油行业的使用奠定了实践及理论基础，可以断言随着研究的深入，电能无线传输技术将在石油生产井电机供电中获得广泛应用，将使抽油机电控设备的供电方式获得巨大突破，未来抽油机供电将变为无线传输。
5 结 论
通过前述分析，我们可得下述结论：
1．抽油机在我国石油生产中有极大的使用量，其电力消耗量很大，节能降耗潜力巨大。
2．抽油机电控装置的发展可降低石油开采成本，带来巨大的经济效益，推进石油企业装备的进步，使我国石油企业泰然面对加入wto的挑战，增强参与国际石油市场竞争的能力。
3．国内对抽油机电控设备的研究方兴未艾，将促进该领域的飞跃和进步。
4．抽油机电控装置的发展方向是节能效果明显，保护功能齐全，适应油田环境要求，带有遥控遥测功能。
