一、概述

    目前，在我國各油田的抽油機總數(shù)已超過10萬臺，是各油田的主要耗能設(shè)備。按每臺電機容量30KW（實際上不止于此，在油田使用最多的是37KW和45KW電機，部分使用55KW和75KW電機）計算，裝機總?cè)萘吭谌偃f千瓦以上。作為油田生產(chǎn)中使用最多的耗能設(shè)備，抽油機拖動電機的負(fù)載率普遍較低，造成能源浪費。

    在實際開采作業(yè)過程中，抽油機受油井的井深、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、改變電機的功率；同時，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，也會對開采作業(yè)產(chǎn)生影響，要求抽油機根據(jù)實際工況進(jìn)行相應(yīng)的速度調(diào)整。

    鑒于以上所述油田抽油機的技術(shù)要求以及使用的社會效益，抽油機對電機控制系統(tǒng)的基本要求是：

    ☆ 大范圍的、穩(wěn)定可靠的無級調(diào)速；

    ☆ 具有比較顯著的節(jié)電效果。

    二、IMS系列油田抽油機伺服調(diào)速節(jié)能控制柜

    IMS系列伺服控制器是時光科技有限公司研制、開發(fā)的擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的交流異步電機伺服控制器。其控制對象是普通的三相交流異步電機，控制精度達(dá)到同步伺服電機的控制水平。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。

    針對油田工作的實際需求，時光公司研制了IMS系列油田抽油機伺服調(diào)速節(jié)能控制柜。此伺服控制柜結(jié)合抽油機的運行工況和油井的實際情況，及時地、自動地調(diào)整電機的運行速度、加速度、扭矩等參數(shù)，使原有拖動電機在高效、節(jié)能狀態(tài)進(jìn)行工作。
通過在中原、勝利、遼河油田的實際應(yīng)用，證明了IMS系列油田抽油機伺服調(diào)速節(jié)能控制柜可以簡便而安全的進(jìn)行調(diào)速操作，大大降低了現(xiàn)場操作人員的工作強度，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

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

    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)橹绷鳎倌孀優(yōu)轭l率、電壓有效值可調(diào)的三相交流電供給拖動電機。

    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)矩的過載能力。因此，在很低的轉(zhuǎn)速下，電機也可輸出額定轉(zhuǎn)矩并具有300%的過載能力。

    4、低速大轉(zhuǎn)矩的控制特性

    IMS系列伺服控制柜在抽油機電機啟動的過程中，可以驅(qū)動電機輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。從而在轉(zhuǎn)速從0上升到設(shè)定值過程中，使電流平穩(wěn)，實現(xiàn)了真正的“軟啟動”。

    5、下慢上快的速度控制

    IMS系列伺服控制柜通過速度與轉(zhuǎn)矩的可解耦以及獨立控制，實現(xiàn)了對抽油沖程下慢上快的速度控制。

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

    （三）IMS伺服控制柜的優(yōu)勢

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

    1、調(diào)速操作簡便

    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，只需調(diào)整一個旋鈕即可實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的調(diào)速功能，滿足抽油機調(diào)整沖次的要求。對于現(xiàn)場操作人員而言，操作極為簡便。

    2、降低作業(yè)強度

    使用IMS系列節(jié)能伺服控制柜調(diào)速操作簡便，無需在作業(yè)過程中更改抽油機及配套設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)，大大降低了現(xiàn)場工人的作業(yè)強度。

    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)過程中無需停機進(jìn)行調(diào)整；控制柜具有的抽油沖程下慢上快的速度控制，提高了抽油機的出油量。這些因素，均提高了抽油機的生產(chǎn)效率。

    4、節(jié)能效果顯著

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

    針對負(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功能，采用以較小功率的電機取代原有電機的解決方案，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)用實例

    1、應(yīng)用實例一

    地點：Z油田2-102井

    測試日期：2003年3月29日

    配備電機： 37kW普通異步電機（6極）

    抽油機沖次：5次/分

    測試時間：10分鐘

    測試數(shù)據(jù)：

    工頻運行 IMS伺服控制柜運行

    視在功率（KVA） 28.78 16.12

    有功功率（KW） 13.18 12.82

    無功功率（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)用實例二

    地點：S油田35-4206井

    測試日期：2004年1月4日~2004年1月12日

    配備電機：30kW普通異步電機（6極）

    抽油機沖次：7次/分

    測試時間：工頻和IMS伺服控制柜輪換運行（各24小時，共8天）

    測試數(shù)據(jù)：

    工頻運行     IMS伺服控制柜運行

    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)用實例三

    地點：S油田24-14井

    測試日期：2004年7月21日

    原配電機：30kW 電磁調(diào)速電機（8極）

    替換電機：30kW普通異步電機 （6極）

    抽油機沖次：2.5次/分

    測試時間：40小時

    測試數(shù)據(jù)：

    電磁調(diào)速電機運行 IMS伺服控制柜運行

    電機電流范圍（A） 15~24 10~24

    電源電流范圍（A） 15~24 1.1~7.3

    電機運行頻率（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)用實例四

    地點：S油田28-7井

    測試日期：2004年7月22日

    原配電機：30kW 電磁調(diào)速電機（8極）

    替換電機：30kW 普通異步電機（6級）

    抽油機沖次：1.3次/分

    測試時間：24小時

    測試數(shù)據(jù)：

    電磁調(diào)速電機運行 IMS伺服控制柜運行

    電機電流范圍（A） 34~43 15~44

    電源電流范圍（A） 34~43 1.5~7.5

    電機運行頻率（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)油田抽油機對電機控制系統(tǒng)的基本要求而研制生產(chǎn)的，彌補了目前普遍采用的抽油機    調(diào)速方案存在的缺陷,實現(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，尤其對于有調(diào)速要求的富產(chǎn)油井節(jié)電效果更佳。