油田游梁式抽油机节能控制系统
北京动力源科技股份有限公司的研究人员彭丽巧，在2019年第1期《电气技术》杂志上撰文指出，抽油机是油田上耗能最多的设备，约占油田总用电负荷的40%。抽油机载荷参数变化非常大，造成电能的巨大浪费。为降低能耗，对抽油机进行调速节能改造显得尤为重要。
针对抽油机功率小、数量多，电动机间歇性处于发电状态，对控制性能要求高等特点，本文采用共用直流母线，单独配置逆变部分，平衡各电动机间电能需求及能量反馈，采用有速度矢量控制算法稳定位势负载上升下降，节约电能的同时平稳电动机运行。
从地层中开采原油的方法按照其能量供给方式可分为3种：①依靠油层自身压力使原油喷到地面，称为自喷采油法；②依靠井口受压缩气体的膨胀能量将原油举升到地面，称为气举采油法；③依靠外部机械供给能量使原油被抽到地面，称为机械采油法。
目前，各国主要采用机械采油法，抽油机在原油开采中具有不可替代的作用，是构成油田“三抽”（即：抽油机、抽油泵和抽油杆）的重要组成部分。在机械采油法中，游梁式抽油机所占的比重最高。游梁式抽油机具有结构简单、可靠性高，在采油设备中现在及未来占有重要的地位。
但是由于抽油机自身的结构特点，使得其载荷率低、工作效率低、能耗大。在采油成本中，抽油机电费占比近30%，仅次于注水。随着我国原油开采的发展，减少抽油机能源消耗已经引起广大石油行业的高度重视。
1 游梁式抽油机结构及工作原理
游梁式抽油机（如图1所示）是我国各油田目前应用最广泛的抽油设备，一般由交流异步电动机拖动。
图1 游梁式抽油机竖井系统
1.1 游梁式抽油机机械结构
游梁式抽油机工作时，为了提高工作效率，抽油机的曲柄上通常加一组起平衡作用的配重模块，如图2所示，辅助抽油泵做周期固定的上下往复运动，把井下的原油源源不断的抽到地面上。
图2 游梁式抽油机
在一个冲程中，随着油杆（如图3所示）的上升、下降，电动机周期性在电动、发电两种运行状态进行切换。油杆上升过程中，电动机处于电动状态，从电网中吸收电能；油杆下降过程中，电动机处于发电状态，需将势能转化的电能反馈到电网中或消耗掉。
图3 抽油泵的构成
1.2 游梁式抽油机工作原理
抽油机工作时，抽油杆将动力传给泵，在传递过程中，抽油杆柱悬点所承受的载荷是变化的。驴头带着抽油杆柱工作过程分为两个冲程（如图4至图8所示）：在上冲程时，驴头悬点带着抽油杆柱和液柱向上作变速运动。电动机需耗费大量动力提升抽油杆和液柱位势能，此时抽油机运行于电动状态。在下冲程时，抽油杆柱的位势能下降产生的拉力对电动机做功，使抽油机运行于发电状态。
图4 上冲程
图5 上冲程极限
图6 下冲程
图7 下冲程极限
若抽油机没有配装负载平衡模块，则在一个往复冲程中，驴头悬点的负载将非常的不均匀，载荷变化严重影响抽油机的连杆机构、减速箱和电动机等主要部件的工作效率和使用寿命，增大抽油杆断裂概率。为了消除这些弊病，抽油机制造商通常在抽油机游梁的尾部或曲柄上或两处加上平衡配重模块。
在下冲程时，抽油机需要把平衡配重模块从低处提升到高处，增加平衡配重的位势能。平衡配重模块抬升，将部分减小抽油杆柱下落释放的位势能，减少制动模块需要克服的回馈电量。在上冲程时，平衡配重模块由高处下落，把在下冲程中储存的位能释放出来，帮助电动机提升抽油杆和液柱，减少电动机在上冲程时向上的拉力。
图8 游梁式抽油机共直流母线节能控制系统
目前，我国各大油田使用的游梁式抽油机大部分都配装了平衡配重模块，当平衡配重模块调节的不好或油井出油量变化大时，抽油机在发电状态运行时产生的能量非常大，该部分能量不仅得不到合理利用而且也极易造成能耗电阻发热、损坏。
2 共直流母线节能控制系统
各油田现场所使用的抽油机功率小，数量大，抽油机间距短。为每一台抽油机单独配置一套完整的抵押变频器，成本高。抽油机处于发电状态时产生的能量因无处平衡必须由电阻消耗，不仅浪费电能，而且容易造成设备损坏。
针对油田抽油机分布和使用特点，采用共直流母线节能控制系统可以很好解决该问题。共直流母线节能控制系统主要由两部分组成：现场若干台抽油机共用的不可控整流前端（功率部分）、根据各台抽油机自身容量配置的可控逆变后端（功率部分）及单独配置控制硬件及软件。
将N台不同容量逆变部分连接到公共整流和直流母线部分如图8所示，设备前段可采用大容量器件，器件配置简单，可靠。若干台电动状态和制动状态抽有机统一管理，实现能源流动统一再分配。直流母线不足部分由前端整流部分补充，超出部分由制动回路消耗。现场根据抽油机分布情况可实现“一拖一”至“一拖N”方案，抽油机额定功率、额定电流可以不一致。
2.1 不可控整流前端
油田现场若干台抽油机共用一套整滤波回路，如图9所示，主要有：线路滤波、进线保护、整流电路、缓冲电路、直流滤波电路、电阻能耗制动电路。
图9 共直流母线回路
对于不可控整流及公共滤波部分、电阻能耗部分，可根据现场需要调控的抽油机台数及功率和核算后确定。每台抽油机单独根据自身容量如图10配置，可控逆变部分、驱动硬件、控制板及电动机波形控制、保护算法。
图10 逆变及控制部分
2.2 外围设备
1）电源侧连接
（1）断路器：在用户三相交流电源进线侧，配置一个断路器，断路器的额定电流按照现场整流总容量额定电流的1.5～2倍选择。
（2）接触器：当系统发生重大故障时，能快速切除输入电源，以保证系统安全。同时避免上级断路器跳闸，使故障扩大，影响同一母线上其他设备的正常运行。
（3）交流电抗器：电源输入侧接入交流电抗器，主要是为了防止电网侧无功补偿投切时产生的尖峰脉冲大电流冲击损坏变频器元器件。
（4）噪声滤波器：采用基于共直流母线技术控制系统时，有可能通过电源线干扰周围其他电子设备，使用此滤波器可以减小对周围设备的干扰。
2）变频侧连接
直流电抗器不仅可以改善功率因数，而且可以避免电网电压突变对整流电路造成损害。
3）电动机侧的连接
（1）电抗器：当电动机和逆变器之间的走线距离大于50m时，逆变器输出侧增配电抗器，用于避免长电缆寄生电容效应，避免频繁引起逆变器过流，同时避免增大电动机震动、破坏电动机绝缘。
（2）噪声滤波器：当电动机和逆变器之间的走线距离大于50m时，增加输出噪声滤波器，减小因输出电缆过长造成的电噪声以及漏电流。
2.3 矢量控制
高性能的BKD05控制器采用了DSP、16位MCU和数字逻辑集成电路。单独采集各抽油机运行转速及运行象限，实现大起动转矩，高精度四象限矢量控制技术。
基于共直流母线技术节能控制系统采用了我司成熟的有速度转子定向矢量控制系统，该系统采用转速、电流双闭环模式。该控制模式具有速度控制精确、低速输出转矩大、动态性能响应快等优点。其控制系统图如图11所示。
图11 有速度转子定向矢量控制系统
电动机运行时，系统实时检测转速与电流值，分别由磁通给定获得id的给定值，由速度误差经PID调节器获得iq的给定值。ia、ib、ic的检测值经3/2变换可得id与iq的实时值，id与iq的给定与实时值的误差信号经控制调节器生成ud与uq，再经2/3变换得到逆变调制信号ua、ub、uc，再经PWM调制输出控制电动机运行。
转速反馈需要用到的转速信号、3/2与2/3变换中需要用到的电角度由转速检测与电角度计算模块给出。
3 共直流母线节能驱动装置
3.1 性能参数
表1 性能指标
3.2 技术特点
基于共直流母线技术控制系统在设计上有以下技术特点：
控制器核心元件采用DSP芯片、MCU和数字逻辑集成电路。
逻辑控制采用内嵌式可编程控制器，可直接与用户的集散控制DCS系统通信，实时监测电动机运行状态和故障告警，同时接受控制指令。
可以使用计算机对内嵌式可编程控制器进行梯级程序编程和调试，增强了系统的灵活性和可扩展性。
可采用内置PID控制模块进行闭环控制，也可接受外置PID的控制信号进行闭环控制。
可提供RS 232/RS 485通信接口及扩展RJ 45口，可灵活支持Modbus、Profibus、TCP/IP等通信协议。
实时监测单元直流母线电压，减少母线直流过压故障，避免滤波滤波回路电容损坏。
电网发生瞬间掉电后再次来电时，系统可以快速起动。
具有完善的系统保护和功率单元保护，故障诊断准确，故障记录和运行操作记录完备。
引进基于共直流母线技术节能控制后，可根据抽油机冲程、频次综合平衡上、下过程的电网电能与势能发电电能的利用，以最少的电网电能获得最大出油量。同时，使电动机无起动电流冲击，解决因选型保守所导致的工作效率低等问题，提高电动机使用寿命。
其优势表现在：
系统自主判断抽油机上下冲程运行情况，实时调节上下冲程的速度，提高抽油机的产量。同一直流母线上的若干台抽油机因单独控制，起停、运行状态各异，处于制动状态的电动机的制动再生能源可供给电动状态的电动机使用，采用共直流母线，将能量在N台油田节能专用逆变器中相互传递，减少了负载对电网冲击，提高了能量利用率，减少了向电网回馈能量时的损失。
配合油井储油状况，改变冲程次数，提高抽油效率；电动机软起动，把起动电流降低1～2倍，避免了对电动机和机械设备冲击；可实现过流、过载、过热、过压、欠压等保护功能，确保电动机稳定运行；远程集中监控，便于检测设备运行状况。