论文部分内容阅读
根据抽油机交变工作载荷的特点，数控系统内置的专用运动控制程序可以根据油井的实际情况，自行调整抽油机的冲程频次，调控电机按最节能的上、下冲程速度及功率运行，降低电机损耗、漏液损耗及液体对抽油杆的阻尼损耗。可实现电机功率随动调整，提高电机效率和功率因数；优化运行过程的输出功率分布，降低输出功率峰值、消除电机制动现象；通过柔性软启动和低速大扭矩提高电机效率；控制系统采用能量优化法控制运行参数，降低机、杆、泵的无效能耗；运行过程中，随着电机输出功率和扭矩峰值的大幅度降低以及反向扭矩的消失，使机、杆、泵达到较好的运行配合，综合效益显著。
1、电机数控节能改造的目的
要充分提高机械采油系统的效率，就要努力减少系统各部分的能耗损失。抽油机系统能耗损失包括地下能耗损失和地面能耗损失两部分。地下能耗损失主要发生在泵挂中的摩擦、压力及漏液损失，抽油杆与油管的机械摩擦损失，液体对抽油杆的阻尼损失。地面损失主要发生在盘根盒的摩擦损失，游梁上各个轴承的摩擦损失，减速器效率损失，V-型皮带的效率损失，驱动电动机的效率损失。泵挂中的摩擦损失、抽油杆与油管的机械摩擦损失、盘根盒的摩擦损失、游梁上各个轴承的摩擦损失、减速器效率损失、V-型皮带的效率损失最终都归结为机械效率损失，经过对相应设备多年的技术改进，机械效率已难于再进行简单的提高。泵挂中压力及漏液损失、液体对抽油杆的阻尼损失、驱动电动机的效率损失都与油管中采出液瞬时的流量、流速有关，而油管中采出液的流量、流速受抽油机悬点运动特性直接影响，属于抽油机的运行特性控制参数，通过优化控制抽油机悬点运动，可以显著降低这部分损失。优化控制抽油机悬点运动状态，其实质是对抽油机驱动电机进行控制，即借助现代数字程序控制技术让电机按事先存贮的控制程序运行，不仅控制电机的启动、停止，还需要根据负载控制电机每一时刻输出的转矩和转速。
2、应用效果
2.1改造方案
目前某矿抽油机驱动系统数控改造采用两种方案。
（1）拆除原电机及控制箱，安装SF一体化拖动装置（包括数控箱和专用数控电机）。该方案为拖动系统整体进行更换，现场工作量较少，电机底座利旧，皮带利旧，电源电缆利旧。该方案改造工期短，节能及运行效果显著提高，在该试验中共实施2井次。
（2）拆除原电机控制箱，安装SF一体化拖动装置数控箱，对原电机进行技术改造升级。该方案需要拆除原电机后对定子绕组出线及转子进行数控改造，安装位置反馈单元，更换专用轴承及风机，电机底座利旧，皮带利旧，电源电缆利旧。该方案改造工期相对较长，改造工艺相对复杂，节能及运行效果比改造前有明显提高，在本次试验中共实施2井次。
2.2改造效果
2.2.1机械运行特性
（1）柔性启动、无系统冲击。启动过程中，控制系统控制电机的转速和扭矩由零逐渐平滑地增大到正常运行值，真正实现了大惯量机械负载柔性、平滑启动，降低了对抽油机结构件、传动系统的冲击。
（2）常规抽油机的电机输出扭矩呈现峰谷大幅度交替形态，这就导致不仅峰值时机械传动系统受力严重，且大幅度交变负荷还导致较为严重疲劳现象；数控系统将电机出力由大幅度交变形态转化为小幅度平缓形态，机械的最大受力和疲劳强度降低一倍以上，有效改善机、杆、泵及机械平衡的柔性配合，大大减低了机、杆、泵、变速箱的疲劳损伤，延长设备的使用寿命。
（3）数控系统控制电机在运行过程中始终保持单向输出扭矩，也就是说减速箱的驱动方向始终不换向，避免了换向驱动时产生的齿轮冲击。
（4）在相同产液量下，机采电机数控系统的冲次比常规机采系统低20%以上，相对延长了设备的使用寿命及检修周期。
2.2.2节能效果
为了能够将数控节能改造前后能耗效果进行科学对比，录取了试验井全面运行数据，其中包括前后功图、液面测试，电量计量，日产液、含水、电流等等，并且在试验井上安装了高压计量，该装置可自动计量日耗电及累计耗电量。改造运行24小时后对运行进行首次测量，一周后进行不定期测量，每次测试两组能耗数据取平均数记录，测量设备采用3166电能综合测试仪测量。对比表明，有功功率由改造前的8.22kW下降到5.02kW，降低幅度达38.93%；单井日综合能耗由改造前的222.68kWh下降到128.66kWh，单井日综合节电94.02kWh，节电率42.22%；百米单耗由改造前的2.38kWh/t.100m下降到1.49kWh/t.100m，降低幅度为37.36%；冲次降低35%。悬点上载荷降低，下载荷升高，功图曲线“变瘦”，功图面积明显减少。上下载荷相对峰值降低26.35%，悬点运行冲击载荷幅值降低；上下行程载荷波动减少，曲线平缓，悬点运行平稳。
3、结束语
充分利旧现有抽油机及电机进行数控节能改造，对抽油机举升系统来说是一个很大的进步，它从根本上改变了抽油机的运动特性，使抽油机—抽油杆—抽油泵达到动态协调运动，提高了系统效率及运行可靠性，经济效益及社会效益显著。在能源日益紧张、生产成本不断上升、节能减排任务不断加重的前提下，电机数控节能改造技术将大有作为，其应用前景将十分广泛。
（作者单位：大庆油田有限责任公司第一采油厂）
1、电机数控节能改造的目的
要充分提高机械采油系统的效率，就要努力减少系统各部分的能耗损失。抽油机系统能耗损失包括地下能耗损失和地面能耗损失两部分。地下能耗损失主要发生在泵挂中的摩擦、压力及漏液损失，抽油杆与油管的机械摩擦损失，液体对抽油杆的阻尼损失。地面损失主要发生在盘根盒的摩擦损失，游梁上各个轴承的摩擦损失，减速器效率损失，V-型皮带的效率损失，驱动电动机的效率损失。泵挂中的摩擦损失、抽油杆与油管的机械摩擦损失、盘根盒的摩擦损失、游梁上各个轴承的摩擦损失、减速器效率损失、V-型皮带的效率损失最终都归结为机械效率损失，经过对相应设备多年的技术改进，机械效率已难于再进行简单的提高。泵挂中压力及漏液损失、液体对抽油杆的阻尼损失、驱动电动机的效率损失都与油管中采出液瞬时的流量、流速有关，而油管中采出液的流量、流速受抽油机悬点运动特性直接影响，属于抽油机的运行特性控制参数，通过优化控制抽油机悬点运动，可以显著降低这部分损失。优化控制抽油机悬点运动状态，其实质是对抽油机驱动电机进行控制，即借助现代数字程序控制技术让电机按事先存贮的控制程序运行，不仅控制电机的启动、停止，还需要根据负载控制电机每一时刻输出的转矩和转速。
2、应用效果
2.1改造方案
目前某矿抽油机驱动系统数控改造采用两种方案。
（1）拆除原电机及控制箱，安装SF一体化拖动装置（包括数控箱和专用数控电机）。该方案为拖动系统整体进行更换，现场工作量较少，电机底座利旧，皮带利旧，电源电缆利旧。该方案改造工期短，节能及运行效果显著提高，在该试验中共实施2井次。
（2）拆除原电机控制箱，安装SF一体化拖动装置数控箱，对原电机进行技术改造升级。该方案需要拆除原电机后对定子绕组出线及转子进行数控改造，安装位置反馈单元，更换专用轴承及风机，电机底座利旧，皮带利旧，电源电缆利旧。该方案改造工期相对较长，改造工艺相对复杂，节能及运行效果比改造前有明显提高，在本次试验中共实施2井次。
2.2改造效果
2.2.1机械运行特性
（1）柔性启动、无系统冲击。启动过程中，控制系统控制电机的转速和扭矩由零逐渐平滑地增大到正常运行值，真正实现了大惯量机械负载柔性、平滑启动，降低了对抽油机结构件、传动系统的冲击。
（2）常规抽油机的电机输出扭矩呈现峰谷大幅度交替形态，这就导致不仅峰值时机械传动系统受力严重，且大幅度交变负荷还导致较为严重疲劳现象；数控系统将电机出力由大幅度交变形态转化为小幅度平缓形态，机械的最大受力和疲劳强度降低一倍以上，有效改善机、杆、泵及机械平衡的柔性配合，大大减低了机、杆、泵、变速箱的疲劳损伤，延长设备的使用寿命。
（3）数控系统控制电机在运行过程中始终保持单向输出扭矩，也就是说减速箱的驱动方向始终不换向，避免了换向驱动时产生的齿轮冲击。
（4）在相同产液量下，机采电机数控系统的冲次比常规机采系统低20%以上，相对延长了设备的使用寿命及检修周期。
2.2.2节能效果
为了能够将数控节能改造前后能耗效果进行科学对比，录取了试验井全面运行数据，其中包括前后功图、液面测试，电量计量，日产液、含水、电流等等，并且在试验井上安装了高压计量，该装置可自动计量日耗电及累计耗电量。改造运行24小时后对运行进行首次测量，一周后进行不定期测量，每次测试两组能耗数据取平均数记录，测量设备采用3166电能综合测试仪测量。对比表明，有功功率由改造前的8.22kW下降到5.02kW，降低幅度达38.93%；单井日综合能耗由改造前的222.68kWh下降到128.66kWh，单井日综合节电94.02kWh，节电率42.22%；百米单耗由改造前的2.38kWh/t.100m下降到1.49kWh/t.100m，降低幅度为37.36%；冲次降低35%。悬点上载荷降低，下载荷升高，功图曲线“变瘦”，功图面积明显减少。上下载荷相对峰值降低26.35%，悬点运行冲击载荷幅值降低；上下行程载荷波动减少，曲线平缓，悬点运行平稳。
3、结束语
充分利旧现有抽油机及电机进行数控节能改造，对抽油机举升系统来说是一个很大的进步，它从根本上改变了抽油机的运动特性，使抽油机—抽油杆—抽油泵达到动态协调运动，提高了系统效率及运行可靠性，经济效益及社会效益显著。在能源日益紧张、生产成本不断上升、节能减排任务不断加重的前提下，电机数控节能改造技术将大有作为，其应用前景将十分广泛。
（作者单位：大庆油田有限责任公司第一采油厂）