抽油机节能电控装置综合分析

2 间抽控制器（POC）

由于抽油机是按照油井最大化的抽取量来进行选择的，并且还留有设计余量。另外，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，如果不加以控制，就会白白地浪费大量的电能。对于这种油井，最简单的方法是实行间抽，即当油井出液量不足或发生空抽时，就关闭抽油机，等待井下液量的蓄积，当液面超过一定深度时，再开启抽油机，这样就提高了抽油机的工作效率，避免了大量的电能浪费。

间抽控制的原始做法是派人定时到油井去开停抽油机，即使在发达国家，目前也还有不少油井采用这种人工控制方式，以便解决抽油机的低效和浪费问题。这种做法每天要派人去井场操作好几次，经过长期试验才能摸索出适合各油井的间抽规律，费工费时。于是就引入了定时钟，只须设定开、停机时间，便能自动地进行间抽控制，但是，这仍然无法解决令抽油机的工作能力动态地响应油井负荷的变化，以达到最佳的节能效果，同时，还有可能会影响油井的产量。

为了解决上述问题，通过安装相关的传感器，精确感知油井负荷的动态变化，实现智能间抽控制（IPOC）。为此，可采用各种不同的传感器达到控制目的，下面分别予以介绍。

2.1 液面探测器

如果能直接测出井中的液面，那么就可以用它来控制抽油机的运行。当液面高度超过泵时，就启动抽油机；当液面降到泵的吸入口处时，就关闭抽油机，避免空抽的发生。早期的方法是使用永久式的井下压力传感器来检测液面，现代则是利用声波装置从地面上自动监测井下液面深度，但是，由于装置复杂，维修费用高而没有得到普及。

2.2 流量传感器

在井口通过流量传感器检测油井的出液量，是实现抽油机控制最直接，也是最有效的方法。但是，由于国内的油井产量太低，有些油井的产量每天只有几m³，甚至不足1m³，合10cm³/s。这么小的流量检测，对于各种类型的流量传感器来讲都是一个难题，再加上井中采出的油液中含有大量的泥沙和蜡块，经常会发生堵塞现象，因而也未能获得推广应用。

2.3 电机电流传感器

应当说，电机电流的检测是最方便、最可靠，也是最为廉价的方法。当发生空抽时，下冲程开始时游动阀并没有打开，光杆载荷为杆柱重量及游动阀上部液柱的重量之和，可平衡掉大部分的配重的重量，电动机只要用很小的能量就可将杆柱送入井底，电机电流较小；当油井中泵的充满度较高时，下冲程开始不久，游动阀即打开，泵中液面托住了游动阀上部的液柱重量，并且使抽油杆柱也浸没在液体中，因而光杆载荷只是杆柱在液体中的浮重，这也就意味着电机将用较大的能量来举起曲柄或游梁尾部的平衡块的重量才能将杆柱送入井底，因而电流就较大。

在下冲程时设置一个设定值，当发生空抽时，实际电流将降至此值以下，控制器就关闭抽油机。也可通过电机的平均电流进行检测，从实际平均电流的下降中也可很容易地鉴别出空抽的发生。但是，电流的检测受到抽油机配重的影响而使实际的电机电流变得很难控制，绝不像某些肤浅的文章中所描述的那样，是近似方波的电流波形。实际的抽油机电动机的扭矩（电流）曲线如图3所示。这种不规则的扭矩（电流）曲线，只有通过抽油机的机械结构和平衡曲线的改变方能改变，而不是通过电控装置可以实现的，因此，这是一个机电一体化的系统工程问题。

图3 采用普通异步电动机的标准抽油机上的惯性扭矩当量

2.4 抽油杆载荷传感器

普遍采用的方法是通过特制的传感器，对抽油机的光杆载荷进行检测，因为，光杆载荷是井下泵运行情况的最好监视器，并且它不受平衡配重的影响。泵的充盈系数（包括空抽）通过对抽油杆载荷的分析可以很容易地被检测出来。另外，更重要的是抽油杆载荷数据，加上抽油杆位置的信息，正是分析井下工况的“示功图”的必备数据，利用这些信息可对抽油机的运行情况进行全面的分析。

在光杆或游梁上安装测力传感器可以测出抽油杆的载荷数据。光杆测力传感器比较准确，但易于损坏；安装在游梁上的传感器准确度比较低，但比较耐用。国内已有抽油机专用的测力传感器产品。利用载荷传感器的数据绘制的示功图，检测抽空控制设备的工作原理如图4所示。
抽空控制最可靠的一个方法是计算光杆所做的机械功，因为，机械功与被示功图所封闭的面积成正比，所以，空抽表明输入到系统中的能量减少，只须计算示功图的面积或一部分面积即可检测抽空条件。其方法包括在示功图上设定两条垂直线，计算这两条抽油杆位置线之间示功图的面积或曲线下面的面积，如果用示功图里面的面积，可检测出图4中的面积1减少了；如果用示功图下面的面积，则可检测出面积2增加了。

（a） 抽油杆载荷传感在设定点处的杆载荷

（b） 变化的载荷量

（c） 抽油杆所做的机械功

图4 监测抽油杆载荷装置的抽空控制设备的工作原理

同时，也可像电机电流信号一样，通过计算光杆载荷平均值的办法来检测抽空的发生，较高的载荷平均值表示有可能发生空抽，而较低的载荷平均值则表示油井中液量多。

总之，间抽控制器的优点和经济效益是显而易见的。

1）由于缩短了抽油时间，大大减少了能量消耗。但是，在用人工控制和定时自动控制间抽时，由于惟恐减产，几乎都会发生实际抽油时间比必要的抽油时间长的情形，因而不能完全避免空抽。通过传感器信号实现闭环控制的智能间抽控制器（IPOC），在检测到空抽时立即关闭抽油机，避免了空抽的发生，平均可多节约能量20％～30％。

2）相对于人工间抽和定时间抽来讲，智能间抽控制由于达到了较低的平均液面，增加了产量。因为，较低的液面意味着较低的井底流压，结果较多的液体流入井底，通常可增产1％～4％。

3）由于消除了液击现象，可使井下和地面设备的维修费用减少25％～30％。另外，通过IPOC装置可提前探测到油井故障，从而进一步减少了所需的修井作业量。

4）使用微电脑技术的IPOC装置大大增加了抽油系统的性能信息检测数据，为抽油机的遥控遥测及集中控制创造了条件。

3 软起动及调压节能型

由于抽油机的功率档次有限，如30kN，60kN，80kN，100kN等，而每一口油井的参数都不一样，在选配抽油机时，不可能做到量体裁衣，刚好和抽油机的功率档次相匹配，一般留有一定的功率裕量；各型抽油机在配用电动机时，为了保证抽油机在各种工况下正常运行，也留有一定的功率余量；随着油井由浅入深的抽取，油井的产液量越来越少，抽油机的负荷也相应减小。由于上述原因，就造成了抽油机的实际负载率普遍偏低，大部分抽油机的负载率在20％～30％之间，最高也不会超过50％，形成大马拉小车的现象。而当电动机处于轻载运行时，其效率和功率因数都较低，此时若适当调节电动机定子的端电压，使之与电动机的负载率合理匹配，这样就降低了电动机的励磁电流，从而降低电动机的铁耗和从电网吸收的无功功率，可以提高电动机的运行效率和功率因数，达到节能的目的。