一、概述

    目前，在我國(guó)各油田的抽油機(jī)總數(shù)已超過(guò)10萬(wàn)臺(tái)，是各油田的主要耗能設(shè)備。按每臺(tái)電機(jī)容量30KW（實(shí)際上不止于此，在油田使用最多的是37KW和45KW電機(jī)，部分使用55KW和75KW電機(jī)）計(jì)算，裝機(jī)總?cè)萘吭谌偃f(wàn)千瓦以上。作為油田生產(chǎn)中使用最多的耗能設(shè)備，抽油機(jī)拖動(dòng)電機(jī)的負(fù)載率普遍較低，造成能源浪費(fèi)。

    在實(shí)際開(kāi)采作業(yè)過(guò)程中，抽油機(jī)受油井的井深、油質(zhì)、雜質(zhì)、含沙量、含水量等諸多客觀因素的影響，須調(diào)整作業(yè)沖次、沖程，甚至更換電機(jī)、改變電機(jī)的功率；同時(shí)，由于油田所處地理位置、緯度的不同，以及所處地區(qū)的氣候等自然因素，也會(huì)對(duì)開(kāi)采作業(yè)產(chǎn)生影響，要求抽油機(jī)根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行相應(yīng)的速度調(diào)整。

    鑒于以上所述油田抽油機(jī)的技術(shù)要求以及使用的社會(huì)效益，抽油機(jī)對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的基本要求是：

    ☆ 大范圍的、穩(wěn)定可靠的無(wú)級(jí)調(diào)速；

    ☆ 具有比較顯著的節(jié)電效果。

    二、IMS系列油田抽油機(jī)伺服調(diào)速節(jié)能控制柜

    IMS系列伺服控制器是時(shí)光科技有限公司研制、開(kāi)發(fā)的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的交流異步電機(jī)伺服控制器。其控制對(duì)象是普通的三相交流異步電機(jī)，控制精度達(dá)到同步伺服電機(jī)的控制水平。IMS系列伺服控制器調(diào)速范圍廣，定位精度高，低速轉(zhuǎn)矩大，軟件功能完善。

    針對(duì)油田工作的實(shí)際需求，時(shí)光公司研制了IMS系列油田抽油機(jī)伺服調(diào)速節(jié)能控制柜。此伺服控制柜結(jié)合抽油機(jī)的運(yùn)行工況和油井的實(shí)際情況，及時(shí)地、自動(dòng)地調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行速度、加速度、扭矩等參數(shù)，使原有拖動(dòng)電機(jī)在高效、節(jié)能狀態(tài)進(jìn)行工作。
通過(guò)在中原、勝利、遼河油田的實(shí)際應(yīng)用，證明了IMS系列油田抽油機(jī)伺服調(diào)速節(jié)能控制柜可以簡(jiǎn)便而安全的進(jìn)行調(diào)速操作，大大降低了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的工作強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，并取得了明顯的節(jié)能效果。

    （一）IMS伺服控制柜的構(gòu)成

    IMS系列油田抽油機(jī)伺服調(diào)速節(jié)能控制柜構(gòu)成情況如下圖所示：

      


圖1  IMS系列油田抽油機(jī)伺服調(diào)速節(jié)能控制柜構(gòu)成圖

    （二）IMS伺服控制柜的特點(diǎn)

    IMS系列油田抽油機(jī)伺服調(diào)速節(jié)能控制柜具有如下特點(diǎn)：

    1、交-直-交的主電路

    IMS伺服控制柜先將輸入的三相50Hz交流電變?yōu)橹绷?，再逆變?yōu)轭l率、電壓有效值可調(diào)的三相交流電供給拖動(dòng)電機(jī)。

    2、大范圍的速度控制

    IMS系列伺服控制柜采用伺服控制，可準(zhǔn)確、大范圍地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，速度控制范圍為0-1500r.p.m，速度控制精度為0.3r.p.m。

    3、三倍額定轉(zhuǎn)矩的過(guò)載能力

    IMS系列伺服控制柜在零至額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有恒轉(zhuǎn)矩輸出特性，并具有3倍額定轉(zhuǎn)矩的過(guò)載能力。因此，在很低的轉(zhuǎn)速下，電機(jī)也可輸出額定轉(zhuǎn)矩并具有300%的過(guò)載能力。

    4、低速大轉(zhuǎn)矩的控制特性

    IMS系列伺服控制柜在抽油機(jī)電機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程中，可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。從而在轉(zhuǎn)速?gòu)?上升到設(shè)定值過(guò)程中，使電流平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了真正的“軟啟動(dòng)”。

    5、下慢上快的速度控制

    IMS系列伺服控制柜通過(guò)速度與轉(zhuǎn)矩的可解耦以及獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)抽油沖程下慢上快的速度控制。

    6、具有內(nèi)部軟PLC功能，可對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行檢測(cè)和控制。

    （三）IMS伺服控制柜的優(yōu)勢(shì)

    根據(jù)IMS系列伺服控制柜的設(shè)計(jì)原理、控制特點(diǎn)以及應(yīng)用實(shí)例的分析， 油田抽油機(jī)配備IMS系列伺服調(diào)速節(jié)能控制柜，具有如下優(yōu)勢(shì)：

    1、調(diào)速操作簡(jiǎn)便

    由于IMS系列伺服調(diào)速節(jié)能控制柜具有大范圍、連續(xù)調(diào)速的特點(diǎn)，只需調(diào)整一個(gè)旋鈕即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的調(diào)速功能，滿足抽油機(jī)調(diào)整沖次的要求。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)操作人員而言，操作極為簡(jiǎn)便。

    2、降低作業(yè)強(qiáng)度

    使用IMS系列節(jié)能伺服控制柜調(diào)速操作簡(jiǎn)便，無(wú)需在作業(yè)過(guò)程中更改抽油機(jī)及配套設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，大大降低了現(xiàn)場(chǎng)工人的作業(yè)強(qiáng)度。

    3、提高生產(chǎn)效率

    使用IMS系列節(jié)能伺服控制柜，在作業(yè)過(guò)程中無(wú)需停機(jī)進(jìn)行調(diào)整；控制柜具有的抽油沖程下慢上快的速度控制，提高了抽油機(jī)的出油量。這些因素，均提高了抽油機(jī)的生產(chǎn)效率。

    4、節(jié)能效果顯著

    根據(jù)實(shí)際應(yīng)用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算，IMS系列節(jié)能伺服控制柜具有顯著的節(jié)能效果。相對(duì)而言，對(duì)于高產(chǎn)油井即抽油機(jī)負(fù)載越大、沖次頻率越低，節(jié)電效果越明顯：當(dāng)抽油機(jī)沖次頻率低于2.5次/分，節(jié)電率高達(dá)75%以上。

    針對(duì)負(fù)荷較輕的油井，可根據(jù)IMS系列節(jié)能伺服控制柜具有的軟啟動(dòng)功能，采用以較小功率的電機(jī)取代原有電機(jī)的解決方案，同樣可以取得較為顯著的節(jié)能效果。

    三、IMS伺服控制柜的應(yīng)用實(shí)例

    1、應(yīng)用實(shí)例一

    地點(diǎn)：Z油田2-102井

    測(cè)試日期：2003年3月29日

    配備電機(jī)： 37kW普通異步電機(jī)（6極）

    抽油機(jī)沖次：5次/分

    測(cè)試時(shí)間：10分鐘

    測(cè)試數(shù)據(jù)：

    工頻運(yùn)行 IMS伺服控制柜運(yùn)行

    視在功率（KVA） 28.78 16.12

    有功功率（KW） 13.18 12.82

    無(wú)功功率（KVAR） 25.58 9.78

    功率因數(shù) 0.458L 0.795C

    ★ 使用IMS伺服控制柜的節(jié)電率為8.3%。

    2、應(yīng)用實(shí)例二

    地點(diǎn)：S油田35-4206井

    測(cè)試日期：2004年1月4日~2004年1月12日

    配備電機(jī)：30kW普通異步電機(jī)（6極）

    抽油機(jī)沖次：7次/分

    測(cè)試時(shí)間：工頻和IMS伺服控制柜輪換運(yùn)行（各24小時(shí)，共8天）

    測(cè)試數(shù)據(jù)：

    工頻運(yùn)行     IMS伺服控制柜運(yùn)行

    液量      102.85     102.23

    電流范圍（A）      28~39     4~43

    電量（KW）      221.93     178.2

    ★ 使用IMS伺服控制柜的節(jié)電率為19.7%。
   
    3、應(yīng)用實(shí)例三

    地點(diǎn)：S油田24-14井

    測(cè)試日期：2004年7月21日

    原配電機(jī)：30kW 電磁調(diào)速電機(jī)（8極）

    替換電機(jī)：30kW普通異步電機(jī) （6極）

    抽油機(jī)沖次：2.5次/分

    測(cè)試時(shí)間：40小時(shí)

    測(cè)試數(shù)據(jù)：

    電磁調(diào)速電機(jī)運(yùn)行 IMS伺服控制柜運(yùn)行

    電機(jī)電流范圍（A） 15~24 10~24

    電源電流范圍（A） 15~24 1.1~7.3

    電機(jī)運(yùn)行頻率（Hz） 50 18

    電量（KW） 200 47.5

    ★ 使用IMS伺服控制柜的節(jié)電率為76%。
 
    4、應(yīng)用實(shí)例四

    地點(diǎn)：S油田28-7井

    測(cè)試日期：2004年7月22日

    原配電機(jī)：30kW 電磁調(diào)速電機(jī)（8極）

    替換電機(jī)：30kW 普通異步電機(jī)（6級(jí)）

    抽油機(jī)沖次：1.3次/分

    測(cè)試時(shí)間：24小時(shí)

    測(cè)試數(shù)據(jù)：

    電磁調(diào)速電機(jī)運(yùn)行 IMS伺服控制柜運(yùn)行

    電機(jī)電流范圍（A） 34~43 15~44

    電源電流范圍（A） 34~43 1.5~7.5

    電機(jī)運(yùn)行頻率（Hz） 50 9.5

    ★ 使用IMS伺服控制柜的節(jié)電率為81%。

    四、結(jié)論

    IMS系列油田伺服調(diào)速節(jié)能控制柜正是順應(yīng)油田抽油機(jī)對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的基本要求而研制生產(chǎn)的，彌補(bǔ)了目前普遍采用的抽油機(jī)    調(diào)速方案存在的缺陷,實(shí)現(xiàn)了：

    ◆ 大范圍的連續(xù)調(diào)速，且在零至額定轉(zhuǎn)速之間保持恒力矩以及短時(shí)三倍的額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載能力；

    ◆ 良好的節(jié)電效果，尤其對(duì)于有調(diào)速要求的富產(chǎn)油井節(jié)電效果更佳。