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【摘要】本文根据抽油机的特点，提出了去发电、增惯量、平曲线的节能思路，
并结合油井示功图，总结出油井系统节能的概念，在此基础上指出抽油机电机应该具备的功能，为进一步节能创造条件。
【关键词】抽油机示功图 节能
中图分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号：
1目前抽油机拖动系统存在的问题
（1）功率因数低
目前油田抽油机电动机功率因数一般在0.2-0.5之间变化，为了提高抽油机电动机的功率因数，通常是利用补偿电容器提高功率因数，但电机本身的功率因数并不会改变。
（2）“大马拉小车”问题严重
临盘采油厂机械采油系统多数是1台变压器拖动1口油井，变压器的额定容量为50-100KVA，电动机的额定功率22 KW、30KW、37KW、45KW、55KW。由现场的测试结果可知，电动机的实际输入功率大部分在3KW-10KW之间，电动机的负载率很低，功率因数也很低，无功电流比例很大，导致线损增加。这是所有油田都存在的问题，造成这种现象的原因是：抽油机负载有静转距大，而运行转距小的特点，所以要配置大容量的电机，保证足够大的起动转距，所以选用较大功率的电动机，变压器的容量也随之增加。这虽然解决了抽油机的起动问题，但由此却带来了机械采油系统的“大马拉小车”问题，变压器、电动机负载率下降，自身损耗相对增加，造成了电能的浪费。
（3）抽油机系统存在发电现象
从本质上讲，游梁式抽油机井口载荷曲线是近似于正弦曲线，而游梁式抽油机曲柄的圆周运动是严格意义上的正弦曲线，所以游梁式抽油机只能平衡掉井口载荷曲线的一阶分量，由此知系统总是达不到完全平衡，这将导致抽油机带动电动机超过电动机的同步速度运行，电动机变成异步发电机向电网反送电，我们称之为“倒发电” 现象。
（4）抽油机系统调速困难
随着节能意识的提高，抽油机系统调速问题凸显出来，让冲次适应产量的变化就需要调速，因此变频调速技术在电机调速中得到广泛应用，由于抽油机拖动系统存在着不同程度的“倒发电现象”，承担变频调速任务的变频器必须工作在四象限状态，或者设置泄放回路，使变频器的效率降低，可靠性降低。特别是1140V供电系统，电压属于中压范围，变频器件的选择很难兼顾到性价比最优，造成成本过高。由于上述原因造成抽油机系统调速困难。
2目前的抽油机拖动系统节能装置简介
目前在我国的石油开采成本中电费占了相当大的比例，所以，石油行业十分重视节约电能。抽油机节能，主要有研究推广节能型抽油机和抽油机节能电控装置两个方面，对节能型抽油机的应用暂不讨论，重点介绍节能电控装置。常见的抽油机节能电控装置大体上可以分为三种类型，下面分别讨论。
2.1 间抽控制器
对于供液不足的油井，随着油井由浅入深的抽取，井中液面逐渐下降，泵的充满度越来越不足，直到最后发生空抽的现象，这样就浪费了大量的电能。对于这种油井，最简单的方法是实行间抽，根据每口油井不同的工况，设定间抽时间。当井下液量少时关闭抽油机，等待液量的蓄积，液面超过一定深度时，再起动抽油机抽吸，从而提高抽油机的工作效率，避免电能浪费。
2.2 软起动、调压节能型
由于抽油机负载有静转距大，而运行转距小的特点，所以要配置大容量的电机，保证足够大的起动转距，所以要实现软起动是困难的，现场的实践也表明了这一点。
2.3 使用变频器节能
变频器用于抽油机电机时存在的问题：
（1）使用环境问题
由于抽油机都在环境恶劣的野外工作，所以，对变频器的可靠性和环境适应能力提出了很高的要求，许多变频器由于适应不了野外恶劣环境而无法工作，为此可以设计防护等级高的控制柜，以及冷却系统，使之适合在野外环境中使用。
（2）再生能量的处理问题 从现场实测的抽油机电动机功率曲线可以看到当配重不平衡时，在抽油机工作的一个冲程周期中，会出现电动机处于再生制动工作状态（发电状态），对于交－直－交变频器来说，直流部分采用普通二级管整流，因此不能向电网回馈电能，所以反馈到直流母线的再生能量只能对滤波电容器充电而使直流母线电压升高，并通过电阻泄放，造成能量损失，降低了变频器效率。而具有能量反馈功能的变频器结构复杂，可靠性低。
上面我们介绍了三类节电装置，基本上都是针对单元件、单设备进行的节能改造，没有从系统的高度去实现节能。下面我们从另外一个角度去讨论这个问题。
3改造抽油机电机的电功率曲线实现节能
3 .1抽油机电机的电功率曲线的特点
从现场实测的抽油机电功率曲线可以得出如下结论：（1）抽油机电功率曲线以冲程为周期（2）抽油机电功率曲线是连续的，有限个第一类（跳跃）间断点（3）抽油机发电造成功率曲线产生负面积，文献（1）指出：超越离合器是解决抽油机拖动电机发电过程中电能浪费仅有的技术，抽油机调平衡能部分解决抽油机拖动电机发电期的电能浪费问题，但不能完全解决。
3.2 现场实测的抽油机电功（日用电量）
针对抽油机拖动电机发电电量的计量问题，进行了现场的测试，目前使用的计量表计将正向用电电量与反向发电电量累加之后收取电费，这种电表在正向用电时正向转动，反向发电时，也正向转动，正负电量累加。
（1）抽油机拖动电机发电过程多计量的电能是不容忽视的，发电造成电费多计量，地方供电系统对临盘油田实行单井计量，油井发电电量不但不能得到相应的报酬，而且还要上缴相应的电费，一般抽油机发电量约占用电量的5%，我们不但得不到5%的抵扣电量，而且还要交5%的电量电费，这样一来，相当于多交10%的电量电费。
（2）抽油机拖动电机发电过程多损耗的电能是不容忽视的，根据文献（2）的结论，抽油机的电动机在用电转换过程中巨大的能量消耗。设电动机在电动状态运行时的效率為0.85，在发电运行时的效率为0.6，抽油机的机械效率为0.95,那么两次转换的效率为η=0.85×0.6×0.95=0.48，就是说发电能量损失了52%。
3.3 节能措施的提出：调平衡、去发电、平曲线。
首先进行抽油机的平衡调整，在平衡率在85%-110%之内时，再进行去发电和平曲线工作，所以说调整平衡是关键。
1、现场测试的安装抽油机防发电皮带轮之后的功率曲线
安装抽油机专用防馈电皮带轮之后，抽油机电动机已不存在发电现象，最低功率值为空载功率，抽油机防发电皮带轮有效地解决了抽油机发电现象。
2、现场测试的安装抽油机防发电皮带轮之后的用电量
安装抽油机专用防馈电皮带轮之后，日用电量有显著减少，L2-207井日用电量由124KWH/24H降为106KWH/24H；L41-113井由143KWH/24H降为131 KWH/24H；L41-113井由189 KWH/24H降为170 KWH/24H。抽油机节电率在5%-10%之间。
（1）安装抽油机防发电皮带轮之后，抽油机不再拖动电动机工作，发电现象消失，即发电部分的能量（功率曲线负面积）变成了抽油机平衡块的动能和势能，为平衡系统所利用，从而达到节能降耗的目的，但是功率曲线的峰谷差仍然较大，这将影响到抽油机系统的节能和安全运行，即使是抽油机功率曲线的均方根值最小了，如果峰谷差过大，仍然会影响到抽油机系统的可靠运行，所以既要抽油机功率曲线的均方根值最小，还要功率曲线的峰谷差合适。在安装抽油机防发电皮带轮之后，进一步调整平衡块的位置，进一步降低抽油机功率曲线的峰谷差。
（2）电机发电的制动力矩消失，抽油机在上行或下行的过程中可能会出现速度过快的现象，这将影响到抽油机系统的安全运行，这就涉及到再生能量的处理问题，我们今后将对再生能量的详细讨论。
3、缩小抽油机功率曲线的峰谷差的方法
文献（3）在仿真过程中发现，电动机模型参数中的转动惯量对仿真结果有很大的影响，当转动惯量变大时，线路、变压器和电机的损耗都显著减小。从理论上分析，抽油机的负载是波动负载，电机的运行状态在发电机和电动机之间来回切换。如果增大转动惯量，那么，就等于储存了一些在线路上来回流动的能量，减少了总损耗。因而，增加转动惯量在理论上是可以节电的，但是要做好以下两方面的工作：一是由于转动惯量的增加会给电机的起动造成困难，在实际工作中，我们可以考虑采用一种具有升压起动功能的拖动装置，用在这里，基本上解决起动困难的问题。二是增加旋转件的转动惯量必须有速度的改变，速度不变就不会有能量的存储和释放，可以采用高转差的电机实现这一点。上面的问题解决之后，这就成为在实际中可以考虑的一个方案。
4 结束语
上面从抽油机功率曲线的角度讨论了游梁式抽油机拖动系统的平衡和节能问题，在调整好平衡的基础上，结合油井的工作状况，采取去发电、增惯量、平曲线的措施可以达到节能将耗的目的。
参考文献：
1 游梁抽油机的用电发电与节电张继震.马广杰.孙景丽.蒋静石油矿场机械 2001年 第四期 第36页
2 提高抽油机井系统效率技术范凤英 石油大学出版社 2001年第56－58页
3 游梁式抽油机节电问题的仿真研究 朱慧瑜王敏王仲鸿
并结合油井示功图，总结出油井系统节能的概念，在此基础上指出抽油机电机应该具备的功能，为进一步节能创造条件。
【关键词】抽油机示功图 节能
中图分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号：
1目前抽油机拖动系统存在的问题
（1）功率因数低
目前油田抽油机电动机功率因数一般在0.2-0.5之间变化，为了提高抽油机电动机的功率因数，通常是利用补偿电容器提高功率因数，但电机本身的功率因数并不会改变。
（2）“大马拉小车”问题严重
临盘采油厂机械采油系统多数是1台变压器拖动1口油井，变压器的额定容量为50-100KVA，电动机的额定功率22 KW、30KW、37KW、45KW、55KW。由现场的测试结果可知，电动机的实际输入功率大部分在3KW-10KW之间，电动机的负载率很低，功率因数也很低，无功电流比例很大，导致线损增加。这是所有油田都存在的问题，造成这种现象的原因是：抽油机负载有静转距大，而运行转距小的特点，所以要配置大容量的电机，保证足够大的起动转距，所以选用较大功率的电动机，变压器的容量也随之增加。这虽然解决了抽油机的起动问题，但由此却带来了机械采油系统的“大马拉小车”问题，变压器、电动机负载率下降，自身损耗相对增加，造成了电能的浪费。
（3）抽油机系统存在发电现象
从本质上讲，游梁式抽油机井口载荷曲线是近似于正弦曲线，而游梁式抽油机曲柄的圆周运动是严格意义上的正弦曲线，所以游梁式抽油机只能平衡掉井口载荷曲线的一阶分量，由此知系统总是达不到完全平衡，这将导致抽油机带动电动机超过电动机的同步速度运行，电动机变成异步发电机向电网反送电，我们称之为“倒发电” 现象。
（4）抽油机系统调速困难
随着节能意识的提高，抽油机系统调速问题凸显出来，让冲次适应产量的变化就需要调速，因此变频调速技术在电机调速中得到广泛应用，由于抽油机拖动系统存在着不同程度的“倒发电现象”，承担变频调速任务的变频器必须工作在四象限状态，或者设置泄放回路，使变频器的效率降低，可靠性降低。特别是1140V供电系统，电压属于中压范围，变频器件的选择很难兼顾到性价比最优，造成成本过高。由于上述原因造成抽油机系统调速困难。
2目前的抽油机拖动系统节能装置简介
目前在我国的石油开采成本中电费占了相当大的比例，所以，石油行业十分重视节约电能。抽油机节能，主要有研究推广节能型抽油机和抽油机节能电控装置两个方面，对节能型抽油机的应用暂不讨论，重点介绍节能电控装置。常见的抽油机节能电控装置大体上可以分为三种类型，下面分别讨论。
2.1 间抽控制器
对于供液不足的油井，随着油井由浅入深的抽取，井中液面逐渐下降，泵的充满度越来越不足，直到最后发生空抽的现象，这样就浪费了大量的电能。对于这种油井，最简单的方法是实行间抽，根据每口油井不同的工况，设定间抽时间。当井下液量少时关闭抽油机，等待液量的蓄积，液面超过一定深度时，再起动抽油机抽吸，从而提高抽油机的工作效率，避免电能浪费。
2.2 软起动、调压节能型
由于抽油机负载有静转距大，而运行转距小的特点，所以要配置大容量的电机，保证足够大的起动转距，所以要实现软起动是困难的，现场的实践也表明了这一点。
2.3 使用变频器节能
变频器用于抽油机电机时存在的问题：
（1）使用环境问题
由于抽油机都在环境恶劣的野外工作，所以，对变频器的可靠性和环境适应能力提出了很高的要求，许多变频器由于适应不了野外恶劣环境而无法工作，为此可以设计防护等级高的控制柜，以及冷却系统，使之适合在野外环境中使用。
（2）再生能量的处理问题 从现场实测的抽油机电动机功率曲线可以看到当配重不平衡时，在抽油机工作的一个冲程周期中，会出现电动机处于再生制动工作状态（发电状态），对于交－直－交变频器来说，直流部分采用普通二级管整流，因此不能向电网回馈电能，所以反馈到直流母线的再生能量只能对滤波电容器充电而使直流母线电压升高，并通过电阻泄放，造成能量损失，降低了变频器效率。而具有能量反馈功能的变频器结构复杂，可靠性低。
上面我们介绍了三类节电装置，基本上都是针对单元件、单设备进行的节能改造，没有从系统的高度去实现节能。下面我们从另外一个角度去讨论这个问题。
3改造抽油机电机的电功率曲线实现节能
3 .1抽油机电机的电功率曲线的特点
从现场实测的抽油机电功率曲线可以得出如下结论：（1）抽油机电功率曲线以冲程为周期（2）抽油机电功率曲线是连续的，有限个第一类（跳跃）间断点（3）抽油机发电造成功率曲线产生负面积，文献（1）指出：超越离合器是解决抽油机拖动电机发电过程中电能浪费仅有的技术，抽油机调平衡能部分解决抽油机拖动电机发电期的电能浪费问题，但不能完全解决。
3.2 现场实测的抽油机电功（日用电量）
针对抽油机拖动电机发电电量的计量问题，进行了现场的测试，目前使用的计量表计将正向用电电量与反向发电电量累加之后收取电费，这种电表在正向用电时正向转动，反向发电时，也正向转动，正负电量累加。
（1）抽油机拖动电机发电过程多计量的电能是不容忽视的，发电造成电费多计量，地方供电系统对临盘油田实行单井计量，油井发电电量不但不能得到相应的报酬，而且还要上缴相应的电费，一般抽油机发电量约占用电量的5%，我们不但得不到5%的抵扣电量，而且还要交5%的电量电费，这样一来，相当于多交10%的电量电费。
（2）抽油机拖动电机发电过程多损耗的电能是不容忽视的，根据文献（2）的结论，抽油机的电动机在用电转换过程中巨大的能量消耗。设电动机在电动状态运行时的效率為0.85，在发电运行时的效率为0.6，抽油机的机械效率为0.95,那么两次转换的效率为η=0.85×0.6×0.95=0.48，就是说发电能量损失了52%。
3.3 节能措施的提出：调平衡、去发电、平曲线。
首先进行抽油机的平衡调整，在平衡率在85%-110%之内时，再进行去发电和平曲线工作，所以说调整平衡是关键。
1、现场测试的安装抽油机防发电皮带轮之后的功率曲线
安装抽油机专用防馈电皮带轮之后，抽油机电动机已不存在发电现象，最低功率值为空载功率，抽油机防发电皮带轮有效地解决了抽油机发电现象。
2、现场测试的安装抽油机防发电皮带轮之后的用电量
安装抽油机专用防馈电皮带轮之后，日用电量有显著减少，L2-207井日用电量由124KWH/24H降为106KWH/24H；L41-113井由143KWH/24H降为131 KWH/24H；L41-113井由189 KWH/24H降为170 KWH/24H。抽油机节电率在5%-10%之间。
（1）安装抽油机防发电皮带轮之后，抽油机不再拖动电动机工作，发电现象消失，即发电部分的能量（功率曲线负面积）变成了抽油机平衡块的动能和势能，为平衡系统所利用，从而达到节能降耗的目的，但是功率曲线的峰谷差仍然较大，这将影响到抽油机系统的节能和安全运行，即使是抽油机功率曲线的均方根值最小了，如果峰谷差过大，仍然会影响到抽油机系统的可靠运行，所以既要抽油机功率曲线的均方根值最小，还要功率曲线的峰谷差合适。在安装抽油机防发电皮带轮之后，进一步调整平衡块的位置，进一步降低抽油机功率曲线的峰谷差。
（2）电机发电的制动力矩消失，抽油机在上行或下行的过程中可能会出现速度过快的现象，这将影响到抽油机系统的安全运行，这就涉及到再生能量的处理问题，我们今后将对再生能量的详细讨论。
3、缩小抽油机功率曲线的峰谷差的方法
文献（3）在仿真过程中发现，电动机模型参数中的转动惯量对仿真结果有很大的影响，当转动惯量变大时，线路、变压器和电机的损耗都显著减小。从理论上分析，抽油机的负载是波动负载，电机的运行状态在发电机和电动机之间来回切换。如果增大转动惯量，那么，就等于储存了一些在线路上来回流动的能量，减少了总损耗。因而，增加转动惯量在理论上是可以节电的，但是要做好以下两方面的工作：一是由于转动惯量的增加会给电机的起动造成困难，在实际工作中，我们可以考虑采用一种具有升压起动功能的拖动装置，用在这里，基本上解决起动困难的问题。二是增加旋转件的转动惯量必须有速度的改变，速度不变就不会有能量的存储和释放，可以采用高转差的电机实现这一点。上面的问题解决之后，这就成为在实际中可以考虑的一个方案。
4 结束语
上面从抽油机功率曲线的角度讨论了游梁式抽油机拖动系统的平衡和节能问题，在调整好平衡的基础上，结合油井的工作状况，采取去发电、增惯量、平曲线的措施可以达到节能将耗的目的。
参考文献：
1 游梁抽油机的用电发电与节电张继震.马广杰.孙景丽.蒋静石油矿场机械 2001年 第四期 第36页
2 提高抽油机井系统效率技术范凤英 石油大学出版社 2001年第56－58页
3 游梁式抽油机节电问题的仿真研究 朱慧瑜王敏王仲鸿