基于冲次控制的从式井变频节能分析

抽油机是油田排采的重要的用电设备，据统计，抽油机用电可达油田总用电量的20%～25%。而游梁式抽油机因结构简单、可靠性高等优点，在有杆采油地面设备中一直占主导地位［1］。

我国油井多位于偏远地区，又具有低渗透、低产量、含水高等特点［2］。高供电成本和低产量的结合，极大增加了石油开采成本。所以，抽油机系统的节能减耗是极具有经济和环境意义的。

2016年11月，全国妇联、教育部等九部委在《关于指导推进家庭教育的五年规划（2016—2020年）》明确提出了五年内在全国普及家长学校的工作目标——城市要达到90%，农村要达到80%，让有限优质教育资源服务更多学校和社区。

人脑平均约含1 200亿个神经元，它们无时无刻不在运作着，通过树突等树枝状突起接收和发出信息。到达树突的化学或电信号使树突的细胞膜产生微小的电位变化，并传至胞体。当电位的改变到达所谓的“阈值”后便不再恢复，神经元膜上将激起一个巨大的峰电位，即动作电位。这一电位将沿着神经元突起中的轴突，以每秒150米的速度传递至另一组树枝状突起。并于此通过化学或电信号将信息传递至周围其他神经元的树突。

1 系统方案

数字化抽油机系统由功率和控制部分构成。功率部分包含开关、变频器和电机等，主要作用是带动抽油机机械结构运转，实现抽油功能；控制部分包含各种传感器和RTU控制器、数据传输模块等，用于检测分析井场数据、上传报文和控制变频器运行，以达到最优的运行效果。

图2为含三口油井的丛式井抽油机系统拓扑示意图。

3）检测模块。采用成熟的检测计量模块，如电量检测模块采用安控SU306、显示模块采用GTCY-3B等。

1.1 功率系统

功率系统的电气示意图如图1所示。

功率系统采用分布式整流的共母线系统拓扑，选型说明如下。

1）抽油机电机。采用三相异步电动机，电压为380V，功率为30kW，电流58.6A，额定转速1440rpm。电机功率是根据悬点载荷、配重载荷和传输比等数据设计得到，保证能有足够的力矩和较合适的排采速率。

2）变频器。变频器电压为380V，功率为30kW，电流60A。变频器的选型适配电机功率，同时保证一定的过载系数。整流侧为不控整流，简单可靠；电机驱动采用高性能矢量控制，以达到快速响应的效果。

图1 功率系统电气图

图2 丛式井抽油机系统拓扑示意图

3）滤波组件。当对电网电能质量有较高要求时，可以选配滤波组件。本系统采用谐波通道滤波拓扑，构造5次和7次两个谐波通路，能够将满载时的网侧谐波THDI值限制在6%以下、功率因数提高到0.85以上。

4）能量回馈单元。电压为380V，功率为30kW，电流60A。能量回馈单元没有按照三口井的满功率配置，原因是共直流母线节能方案能有效使能量内部环流，提高利用率。该能量回馈单元具有宽频的电网适应能力和很强的EMC抗干扰能力，能够在恶劣的电网环境下稳定运行。

以上系统拓扑适用于集中的丛式井；对于分布较远的单井，不适合采用该拓扑结构。

1.2 控制系统

对于极低产井或自喷井，可采用“休眠-唤醒”的间歇工作模式，避免油井的空转，充分达到节能效果。

坐在水家客厅里，似乎回到了从前。水仙芝递过茶来，蒋海峰双手接住，茶入肚肠，一片清香留在心间。时间还早，他抬手看看手表，玻璃片上映着水仙芝的影子，往事历历在目。

图3 控制系统示意图

据统计，游梁式抽油机运行效率大多在30%左右。通过提升电机本身的效率来降低整个系统的能耗，效果非常有限。因此，从工艺过程来进行节能效果会更加直接。

1）单井RTU。采用的单井RTU具有32位工业级处理器和多组输入输出端口。单井RTU内置完整的曲柄周期的运动控制分配，使抽采过程中的应力、损耗降低，实现节能目的。同时单井RTU接受各节点信号用作保护和控制，并将信息通过通讯端口上传给井场RTU用于多井协调控制。

2）井场RTU。采用的井场RTU智能模块，相比super32具有更多的通讯端口和更强大的处理芯片。井场RTU接收多井信息，并协调运动过程，实现节能目的。

(1)先令定子冲片内圆直径为φa，φa=55作圆，再分别以φb =φa+2Hs0=56.5、φc=φb+2Hs1=57.5、φd=φc+2 Hs2+2Rs=88.5作圆，然后以φe=100作冲片外径，最后作中心线A、B，并交于点O，其中中心线A交φa于u点(如图3)。

每台油井抽油机由单独的变频器驱动，并由单井的RTU控制器采样和控制。单井RTU将信息与井场RTU进行交互，接受其对运动控制的协调分配。井场信息最终由井场RTU分析整理，并上传报文。

两级控制结构可以有效实现多机协调控制，结合相应控制方法，可以达到最大的节能目标。

1.3 技术特点

本方案具有如下技术特点。

1）电机以稳定性为前提。从油田应用来说，三相异步电动机并不是节能效果最好的电机；开关磁阻电机和转子绕线式电机分别在配重平衡和不平衡时具有相对更高的节电率［3］。但从当前电机的稳定性和控制技术的成熟性，三相异步电机仍是首选。

2）共母线与能量回馈单元实现能量的有效利用。抽油机具有势能负载，因此必定存在能量回馈。所以在丛式井利用共母线方案，并协调控制抽油机的运动过程，能够有效使得能量在井间环流，提高利用率。能量回馈单元则将确实无法环流的能量回馈到电网，避免浪费。

4）矢量控制技术。能够使电机具有更快的动态响应和控制性能，提高启动和卡泵时的输出电流，避免因为启动力矩过大而被迫放大变频器功率等级。配合码盘可以实现悬停功能，为机械式抽油机的配重平衡提供极大便利。

3）分布式整流。实现了整流部分的冗余备份，一旦某台变频器的整流部分故障，可以通过切除前级开关实现继续运行，提高系统稳定性。

高中阶段由于存在高考的压力，教师与学生的时间都非常紧张，老师在完成教学任务之余没有更多的时间来优化教学策略，只能是采用传统的教学方法，通过反复的习题训练来加强学生对知识点的掌握.学生也是如此，只能听从教师的教学安排，系统地学习、练习，听课、练习、考试，循环往复，无暇顾及化学在生活中的应用.

5）数字化系统与运动控制。内置运动控制程序，实现抽油过程的最优化分配。全部数据可以远程监控，方便遥测和遥控，推进油田的四化建设。

2 节能方案

系统方案中采用多种节能技术以实现节能目的。

2.1 共直流母线

油田供电的很大一部分损耗来自于导线损耗和变压器损耗。

经过18个月的选择过程，纽斯凯尔最终选定BWX技术负责其小堆的制造、装配和运输。BWX技术将立即启动第一阶段制造工作，该阶段将持续到2020年6月。预计BWX技术将选择精密定制部件公司(Precision Custom Components)作为部件制造分包商。纽斯凯尔表示，下两个阶段的合同将在随后签订。

其中导线有功和无功线损可表示为：

工业园区是推动生产要素集聚、促进生产集约发展的重要载体。在产业布局上，通过园区建设等方式培育产业集群，改善产业集群的成长环境，发挥技术创新的溢出效应，形成创新型的产业集群；突出资源利用与生态环境修复对绿色技术的需求，鼓励通过绿色技术创新实现绿色开采、共同开采、循环经济、生态环境修复。按照纵向延伸、关键补链、横向耦合、配套接续、循序推进循环化改造，从空间布局优化、产业结构调整、企业清洁生产、产业链延伸耦合、能源资源高效利用、污染集中治理、基础设施完善和产业技术研发孵化等几个方面，发挥循环经济园区的聚集功能。

式中，U、p（t）、q（t）、T、R1和 X1分别表示电压，抽油机累加有功、无功，抽油机运行时间和线路电阻和电抗。

关于本组80例患者的扫描诊断情况，如表1所示。多层螺旋CT与MRI检查肺动脉栓塞显示率均为100%，图像质量较高，且多层螺旋CT扫描时间短于MRI（P＜0.05）。

变压器的电量损耗可如下表示：

式中，UN、SN、I0%和 △P0分别表示变压器额定电压，变压器额定容量，变压器空载电流百分比和变压器空载损耗。

传统抽油机系统的冲次通常由现场或者远程控制中心手动更改，往往会出现空采现象，造成能量浪费。

2.2 液位自动冲次调节

通过协调分配丛式井的总进线端有功和无功，使得累积有功和无功最小，即可实现线路损耗和变压器损耗的极大降低［4］。具体调控方式为曲柄旋转周期过程中回馈起始阶段的相位控制，使回馈阶段按照均匀分布的原则展开，避免回馈能量的浪费。应用该技术后，线路和变压器损耗明显降低。

本系统方案中，将动液面液位高度和抽采流量作为控制量进行闭环控制，通过PI控制器来进行实时控制，以曲柄旋转周期为时间单位来更新油井冲次信息。

局长、所长很勉强地接受了迟恒的建议，钱上面的事谁都会心痛。分手时所长塞信封到迟恒手里，迟恒说撤稿得部主任同意，所长纳纳地收回，“你们主任是…..，知道了，明天一定跟你联系。”第二天，迟恒把装着2000元钱的信封放在主任桌上，主任丝毫不见意外，也没去碰那封信。迟恒简单汇报后，主任谆谆告诫：“高压线不能碰，像这种事捅出去，这个场你收得了吗？后面那个方案稳妥，就这样了。”

井场控制系统示意图3所示。

在矿权设置方面，将绿色矿山作为采矿业的进入门槛，优先获得矿业权配置，深部及周边不宜另设零星矿权。要求新建矿山在矿业权出让协议中，明确资源开发方式、生态保护治理、土地复垦等要求，将绿色矿业发展服务平台与国家企业信用信息公示系统、银行征信系统等对接。通过市场机制例如有偿置换通过整治复垦的土地指标、跨区进行碳排放交易等行为，提升矿山企业的绿色发展能力。目前自然资源部颁布了《非金属行业绿色矿山建设规范》，绿色矿业的标准体系构建迈出关键一步。对于绿色矿山准入管理，大型、特大型矿山要按照国家级标准进行建设，中型矿山按照所在省区省级标准建设，严控小型矿山数量。

2.3 冲次分断控制技术

控制系统采用两级控制，实现多机控制的最好效果。选型说明如下。

根据抽油机n-T模型，运行过程中悬点载荷决定了电机负载大小。所以完全可以分段协调控制抽油机在曲柄周期过程中的冲次大小，间接改善平衡块对负载的平衡作用，从而使的轻载下电机运行效率最优，达到节能目的［5］。

以曲柄旋转中心为极点，建立空间极坐标系。曲柄位置角顺时针为正；极径表示曲柄所受旋转力矩大小（为阐述方便力矩均作绝对值处理）。可见平衡力矩固定，但驴头力矩则受平衡配重、动液面、油液黏度等多因素影响。进一步，不同曲柄位置呈现的不均衡性相同。如图4中部分扇区（Sa-Sb）内为电动工况，平衡效果会变差；而部分扇区（Sc-Sd）内势能会向电网进行回馈（或被制动电阻消耗掉）。

图4 不同曲柄位置处抽油机运行工况分析

通过前文分析，在不同阶段采取不同控制方式：

1）利用变频技术间接控制悬点载荷中惯性载荷成分，使（Sa-Sb）扇区驴头力矩曲线顺时针向（Sb-Sc）扇区偏转一定角度。

2）其他扇区，根据抽油机实际负荷状况，基于最小电机损耗的控制目标，采取实时调压-不变频技术。

采用上述控制方式，可以有效减小整个冲程阶段抽油机所消耗的电机功率，达到显著的节能效果。

传统的财务管理机制，无法应对企业合并重组后带来的管理体系变化。因此企业应当重新确立财务管理制度以提升管理效率。首先，企业应改变财务部门的内部分工，并依据工作量与重要程度重新划分工作岗位。例如，针对销售部门等特殊性，企业可要求财务部门在销售中心设置分支机构，从而使该部门的财务管理更为有效。其次，财务部门应当改变传统的审核机制与对账时效。例如，财务部门可将每月的20—23日定为对外结款日。在这一时间，财务部门可集中处理供应商的财务数据，并提供结款服务。通过这样的措施，财务部门的管理效率将得到提升，管理成本也将受到控制。

最终控制流程图如图5提示所示。

图5 变频-调压分段控制流程图

通过对扇区驴头悬点载荷中惯性成分的有效遏制，平衡块对悬点载荷的平衡效果也明显改善。综合考虑变频器本身带来的谐波损耗后，系统单油井的整体节电率仍可达到13%～18%之间，节能效果显著。

3 节能效果

在某油田的采油厂某丛式井进行改造和节能效果验证，将原电网直接驱动的电机更改为上述节能系统，测试数据如表1。

股票模型发展趋势的概率以连锁模型为基准，从而构造只包括股票和现金的组合。假设以S0的价格买入a股股票，现金是b美元，则投资额即：

表1 系统节能效果对比

井号 状态 液量tod-1 电流A 有功功率kW 1＃ 改造前 41.2 30.9 21.36改造后 40.9 28.6 18.29 2＃ 改造前 26.6 21.1 11.45改造后 26.7 18.0 9.62 3＃ 改造前 29.4 22.5 11.13改造后 29.8 18.2 9.85

分析数据可知：三口油井的单井节电率分别为14.37%，15.98%和 11.50%；总体节电率为 14.06%。前端变压器容量由原56kVA左右减小到40kVA左右，效果明显。

4 结论

基于冲次控制的变频技术应用于抽油机上，可以实现很好的节能效果，本文通过在某油田丛式井上的实际改造应用，证明了节能方案的有效性和优异性，带来了较大的经济价值，为后续油田的节能方案实现提供了借鉴和参考实例。

参考文献：

［1］耿 鹏.抽油机节能改造关键技术研究［D］.西安：西安石油大学，2015.

［2］冯耀忠，李 光，韩 炜.国外抽油机技术的新发展（二），石油机械，2000，28（10）：58-60.

［3］辛 宏，李楼楼，杨海涛.抽油机井节能电动机现场测试和效果分析［J］.石油石化节能，2017，7（1）：24-264.

［4］焦裕玺，刘向东.基于公共直流母线技术的智能抽油系统［J］.石油 机 械，2015，43（9）：113-116.

［5］赵海森，王 博，王义龙，李和明.势能负载条件下感应电机变频–调压分段节能控制策略研究［J］.石油机械，2015，35（6）：1490-1497.