油田抽油机的变革—— BWS系列油田抽油机专用伺服控制系统

一、概述
　　目前，在我国各油田的抽油机总数已超过10万台，是各油田的主要耗能设备。按每台电机容量30KW（实际上不止于此，在油田使用最多的是37KW和45KW电机，部分使用55KW和75KW电机，30KW电机较少使用）计算，装机总容量在三百万千瓦以上。作为油田生产中使用最多的耗能设备，抽油机拖动电机的负载率普遍较低，造成能源浪费。
　　在实际开采作业过程中，抽油机受油井的井深、油质、杂质、含沙量、含水量等诸多客观因素的影响，须经常性地调整作业冲次、冲程，甚至于电机的功率；同时，由于油田所处地理位置、纬度的不同，以及所处地区的气候等自然因素（一般是纬度越高，气候越寒冷，石油的黏稠度越大），也会对开采作业产生影响，要求抽油机根据实际工况进行相应的速度调整。
　　鉴于以上所述油田抽油机的技术要求以及使用的社会效益，抽油机对电机控制系统的基本要求是：大范围稳定可靠的无级调速；具有比较显著的节电效果。
二、BWS系列油田抽油机专用伺服控制系统
　　BWS系列伺服控制器是广州博玮伺服科技有限公司研制、开发的拥有自主知识产权的交流异步电机伺服控制器。其控制对象是普通的BWS三相交流异步电机，控制精度达到同步伺服电机的水平。BWS系列伺服控制器调速范围广，定位精度高，低速转矩大，软件功能完善。
　　在此基础上，公司研制了BWS系列油田抽油机专用伺服控制系统。此伺服控制系统可结合抽油机的运行工况和油井的实际情况，及时地、自动地调整电机的运行速度、加速度、扭矩等参数，使原有拖动电机在高效、节能状态进行工作。通过在中原、胜利油田的实际应用，证明了BWS系列油田抽油机专用伺服控制系统可以简便而安全的进行调速操作，大大降低了现场工作人员的工作强度，提高了生产效率，并取得了明显的节能效果。
（一）BWS系列伺服控制系统的构成
 　  BWS系列油田抽油机专用伺服控制系统构成图。
 图1  BWS系列油田抽油机专用伺服控制系统构成图
（二）IMS系列伺服控制系统的特点
 BWS节能伺服控制柜
1、交-直-交的主电路
　　BWS系列伺服控制单元先将输入的三相50Hz交流电变为直流，再逆变为频率、电压有效值可调的三相交流电供给拖动电机，从而起到如下作用：
① 有效消除由于输入的电压三相不平衡所导致的电机温升增加及空载损耗，达到节电效果；
② 按抽油机所需的电机功率及时改变供给电机的电压和电流，而对无功电流进行有效控制，达到节电效果。
2、大范围的速度控制
　　BWS系列伺服控制单元采用伺服控制，准确地、大范围地控制电机的转速，满足了抽油机调整冲次的要求。
3、三倍额定转矩的过载能力
　　BWS系列伺服控制单元在零至额定转速范围内具有恒转矩输出特性，并具有三倍额定转矩的过载能力。因此，在很低的转速下，电机可以输出额定转矩并具有300%的过载能力，满足了抽油机变负载的工作要求。
4、低速大转矩的控制特性
　　BWS系列伺服控制单元在抽油机电机启动的过程中，可以驱动电机输出足够的转矩。从而在转速从0上升到设定值过程中，使电流平稳，实现了真正的“软启动”。这样不仅避免了对电网的冲击，而且能够延长电机的使用寿命并提高电动机的功率因素。如用于负荷较轻的油井，在伺服软启动的基础上，完全可以用较小功率的电机取代原有的电机，进一步地节约能源。
5、下慢上快的速度控制
　　BWS系列伺服控制单元通过速度与转矩的可解耦以及独立控制，实现了对抽油冲程下慢上快的速度控制，从而提高了抽油机的出油量。
6、具有内部软PLC功能
　　BWS系列伺服控制单元根据对力矩变化规律的分析，利用内部软PLC功能，编制抽油机的运行程序对抽油机转矩进行监测；按照力矩的变化趋势，设定电机输出转矩的不同控制方式，从而达到节电的目的。
三、BWS伺服控制柜的应用实例
1、应用实例一
地点：Z油田2-102井
测试日期：2003年3月29日
配备电机： 37kW普通异步电机（6极）
抽油机冲次：5次/分
测试时间：10分钟
测试数据：
使用BWS伺服控制柜的节电率为8.3%。
2、应用实例二
地点：S油田35-4206井
测试日期：2004年1月4日~2004年1月12日
配备电机：30kW普通异步电机（6极）
抽油机冲次：7次/分
测试时间：工频和IMS伺服控制柜轮换运行（各24小时，共8天）
测试数据：
使用BWS伺服控制柜的节电率为19.7%。
3、应用实例三
S油田24-14井现场图
地点：S油田24-14井
测试日期：2004年7月21日
配套电机：30kW 电磁调速电机（8极）
30kW普通异步电机（6极）
抽油机冲次：2.5次/分
测试时间：40小时
使用BWS伺服控制柜的节电率为76%。
4、应用实例四
地点：S油田28-7井
测试日期：2004年7月22日
配备电机：30kW 电磁调速电机（8极）
              30kW 普通异步电机（6级）
抽油机冲次：1.3次/分
测试时间：24小时
测试数据：
使用BWS伺服控制柜的节电率为81%。
四、结论
　　根据BWS系列伺服控制单元的设计原理、控制特点以及应用实例的分析， 油田抽油机配备BWS系列节能伺服控制柜，具有如下优势： 
1、调速操作简便
　　由于BWS系列节能伺服控制柜具有大范围、连续调速的特点，只需调整一个旋钮即可实现连续、稳定的调速功能，满足抽油机调整冲次的要求。对于现场工人而言，操作极为简便。
2、工作强度减轻
　　由于使用BWS系列节能伺服控制柜调速操作简便，无需在开采作业过程中更改抽油机及配套设备的机械结构，大大降低了现场工人的工作强度。
3、生产效率提高
　　使用BWS系列节能伺服控制柜，在开采作业过程中无需停机进行调整；同时，控制柜具有的抽油冲程下慢上快的速度控制，提高了抽油机的出油量。这些因素均提高了抽油机的生产效率。
4、节能效果显著
　　根据实际应用统计数据计算，BWS系列节能伺服控制柜具有显著的节能效果。相对而言，对于高产油井即抽油机负载较大、冲次频率越低，节电效果越明显：当抽油机冲次频率低于2.5次/分，节电率高达75%以上。
　　对于负荷较轻的油井，可根据BWS系列节能伺服控制柜具有的软启动功能，可以用较小功率的电机取代原有的电机，取得较为显著的节能效果。