PC型节能控制器在游梁式抽油机节能中的应用

摘要：针对油田抽油机负载变化频繁，其对应的配套感应电动机经常处于轻载状态，效率低电能浪费大的特点，介绍了用PC 型节能控制器对油田游梁式抽油机进行节能改造的方法。该方法为抽油用三相感应电动机提高效率，降低用电成本提供了理论依据．实验结果证明该方法是正确有效的。测试都表明，该节能控制器有很明显的节能效果。
论文关键词：抽油机,pc节能控制器,节能

　　游梁式抽油机是石油生产的主要设备，也是主要的耗能设备，据统计在油田生产成本中约有三分之一为电能消耗，而游梁式抽油机消耗的电能约占总电能消耗的8O% ，目前我国抽油机的保有量在1O万台以上，电动机总装机容量在3500 Mw 以上，年耗电逾百亿kw .h。抽油机的运行效率比较低，在我国平均运行效率仅为25.96%，国外平均水平为3O.O5% ，年节能潜力可达几十亿kw .h。可见，石油行业是推广“电机系统节能”的重点行业。

　　游梁式抽油机是一个变形的四连杆机构，通过抽油载荷和平衡配重的平衡，用很小的动力就可以使抽油机不断的工作。但是，由于液面是不断变化的，抽油载荷也随着不断的变化，而平衡配重和电动机的功率是固定的；并且为避免抽油机出现“卡死”现象，在最初的设计中，与抽油机配套的电动机的功率要留有很大的功率裕度。这样就产生了抽油机“大马拉小车”的现象，电动机空载、轻载现象十分严重，使得电动机功率因数比较低，整个系统的效率也比较低，造成能源的极大浪费。

　　

　　新疆大学校、院联合资助项目（XY080139）

　　为了解决抽油机配套电动机的不合理运行状况，各油田采取了许多节电措施，使用“节能控制器”就是其中最重要的一种。近年来，由美国太空总暑（NASA）90年推出具有人工智能最新节能产品“PC节能王”，该产品是传统的变频调速节电器的换代产品。

　　为了解决抽油机运行效率低，即“大马拉小车” 现象,我们在新疆石油公司采油三厂五3东区57027井上使用了Preformance Controtter型号的节能控制器，在二十多天的带负载试验中，我们和采油三厂二作业区以及生产运行设备科的工作人员共同对该节能控制器的节电效果进行了测试。测试发现，该节能控制器的节电率非常之高，达到了 50%左右，节电效果非常明显。根据油田抽油机实际的运行情况我们对抽油机拖动装置进行了大量的科学实验、测试和分析，证明抽油机安装PC型节能控制器具有显著的节能效果。

　　1 PC型节能控制器

　　为了解决抽油机配套电动机的不合理运行状况，各油田采取了许多节电措施，市场上也出现了许多针对抽油机的节电产品，这些节电产品大多是对抽油机的控制电路进行改造，统称为“抽油机节电控制器”。随着电子技术和计算机控制技术的发展，抽油机节电器技术也得到进一步提高，功能上更加完善，尤其是更能适应油田恶劣的野外环境。

　　“PC节能王”在设计上完全不同于传统的变频调速节能技术，它采用了电流电压矢量传感态监控与脉宽调制（PWM）有机结合的独特控制技术，不改变电机的一切运行特性，从而避免了变频器因调低速度而导致生产率下降的弊端，填补了变频节能器所不能及的空白，是当今最新太空科技成果的结晶。

　　PC型节能控制器是由美国“节能有限公司”生产的，该公司生产和销售高质量的能够调节交流感应电机磁场的电子电机节能控制器。这种控制器是一种安装于现存的电机启动器和交流感应电动机之间的独立的固态装置。它通过自动的、不间断的更新电机的磁场实现了真正的斜坡型软启动和独特的节能特性。通过改变电机的磁场，减少能耗，使之刚好达到机器运行所需的水平。

　　这种节能控制器，在单相和三相中都可以用，它可以使用在高达40安培、240伏的单相单元中，50Hz或60Hz都行，而三相的控制器可以使用在1hp到400hp，高达575伏的的电压中，50Hz或60Hz都行。按照设计，节能控制器是和一个标准的跨线启动器一起使用的。它是根据工作负荷来调节能量使用的新一代的控制器。

　　这一节能控制器对电机的速度、转矩和动态响应没有任何负面影响，因此它不能被看成是一个变速驱动器或和变速驱动器一起使用。它只调节供给电机的能量。

　　节能控制器的作用是监测交流感应电机，从而使其以最高效率运行。控制器精确监控电机电流和电压的相位差，使其在当前的负载下刚好保持额定速度和扭矩。电压、电流和功率都降低了，从而减少了能耗及起动峰值。

　　技术一流的电子电路可以不断地测出电机的负荷。当电机的实际负荷低于额定负荷时，这一感应电路就可以把供给电机的能量降低到电机刚好所需的水平。这样就降低了电机的能量消耗。具有的固态软启动功能把启动时的冲击电流降低了50%之多。从而减轻了机械起动电机、传动链和负载装置的冲击力。

　　软起动和节能两种特点通过降低电机的运行温度约100F—200F，而延长了其使用寿命。软启动减少了绝缘损坏，防止了很高的不必要的启动电流，也降低了冲击电流。启动时的电流强度通常能达到满负荷运行时电流强度的500%—1500%。这一由硬启动形成的强大冲击电流会在电机线圈中产生“热点”， 从而直接导致电机烧毁。把冲击电流降低一半可以明显的降低电机中的热积累，特别是那些由 管理（EMS）进行运作的和经常起动和停止的电机。

　　该节能控制器具有许多电气功能，能量节省是通过闭环反馈系统的方法来实现的，控制器中的感应回路将电机中的电流和电压的波形进行对比。因为这是一个感应回路，所以电压和电流的波形的起始点是不同的、电动机所受到的负荷越小，电流和电压波形中的相位差就越大。在没有负载的时候，电动机的效率是最低的，其波形之间的差距也最大。我们测量两个波形之间的差值并把它和一个运转时的波形进行比较。通过实际波形和理想波形之间的对比，我们就得出了误差电压。这一误差电压被用来产生触发脉冲，这一触发脉冲决定我们向电机供电时间的长短。误差电压越大，触发脉冲的时间就越短，相反，误差电压越小，触发脉冲的时间就越长。

　　通过这种方式我们可以控制供给电机的能量。回路的速度被保持在一个较高的水平上，这样它可以在1秒内把它发给电机的信号改变120次。这一速度比电机所能运行的速度快的多，它对防止电机在任何情况下的熄火是必要的。

　　软启动是通过使用一个定时斜坡回路来实现的。回路定时逐渐向电机输送能量，随着电压的逐渐增加，电流是慢慢的增加，这种增加将持续到使电机全速运转，启动瞬间到全速运行前的30秒可以被调节，也使电压达到额定电压。

　　根据油田抽油机实际的运行运行情况我们对抽油机拖动装置进行了大量的科学实验、测试和分析。证明抽油机安装PC型节能控制器具有明显的节电效果。

　　2 pc节能控制器在抽油机上的应用测试和计算

　　该测试是在新疆采油三场二作业区3东区10号站进行的，测试井号为57027，测试装采用上海光明电控设备厂生产的LMZL-0.5型单项电度表和上海西郊仪表厂生产的DJYC型电动机经济测试仪，使用的节能控制器的型号为PC3-3-50-11-86，其具体参数如表1.该测试是采油三厂二工作区工程组具体安排测试记录的，记录结果如表2，该测试从2003年7月31日到8月28日，其中前13天安装了节能控制器，后12天（停机3天）没有安装节能控制器。测试结果如下：

　　表1 抽油机使用控制器的实地测试报告（一）

　　项目

　　起止日期及开关机时间

　　负荷状态

　　相电流（Ａ）

　　相电压（Ｖ）

　　电度总读数（ｋｗＨ）

　　Ａ

　　Ｂ

　　Ｃ

　　Ａ

　　Ｂ

　　Ｃ

　　控制器

　　未投入

　　８.１３～８.２８（８.１９～８.２2停机）共１２天

　　带

　　负

　　载

　　２８.８３

　　２９.０８

　　２9.１９

　　２３０.７

　　２３２.１

　　２２７.１

　　３５×３×２０＝２１００

　　控制器投入

　　７．３１～８.１３接入运行共１３天

　　带

　　负

　　载

　　１８.４７

　　１７.１９

　　１７.８６

　　２３２.６

　　２３４.７

　　２３０.２

　　１９×３×２０＝１１４０

　　综合节电率

　　４９.８％

　　表2 抽油机使用控制器的实地测试报告（二）

　　安装ＰＣ节能控制器节能效果检测验收报告

　　用户情况

　　用户名称

　　采油三厂二作业区

　　电话

　　６８１３１６

　　井号５７０２７

　　油井情况

　　产量

　　平均产液量２０.４ｔ

　　井深２１０１.３９ｍ

　　运行情况

　　投入前

　　投入后

　　８月１３日至８月２８日共计１５天，其中８月１９日至８月２２日停机３天，共统计１２天，每日以２４小时计，共２８8小时

　　７月３１日至８月１３日运行１３天，每日以２４小时计算，共３１２小时

　　安装前

　　平均电流

　　液耗油电量

　　产液量

　　平均单耗

　　２９.４２Ａ

　　２１００ｋｗｈ

　　１９ｔ

　　１１０.５３

　　安装后

　　平均电流

　　液耗油电量

　　产液量

　　平均单耗

　　１７.８４Ａ

　　１１４０ｋｗｈ

　　２１.３ｔ

　　５３.５２

　　前后对比

　　减小１１.５８Ａ

　　日耗电减小８７.３１ｋｗｈ

　　产液量增加２.３ｔ

　　平均单耗减少５７.０１ｋｗｈ

　　从表1中，我们可以看出，使用节能控制器后，综合节电效率达到４９.８％，节能效果非常明显。从测试报告中，我们可以看到，测量设备是单相电度表，测得的数据是电能（kwh）。

　　其综合节电公式：

　　

　　式中：---安装节能控制器前小时耗电量；

　　----安装节能控制器后小时耗电量

　　3结束语

　　应用pc型节能控制器改造游梁式抽油机是提高工艺水平、节能挖潜、增加效益的重要途径，今后必将得到更广泛的应用，为企业创造巨大的效益。该控制系统可使抽油机在其不同负载变化时始终处于最佳的运行状态，达到节能降耗的目的。现场应用及节能测试结果表明：系统具有工作性能可靠、操作方便、节能效果好等特点。这种节能方法，将为油田常规游梁式抽油机节能改造提供一条新途径。

参考文献
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