抽油机控制器（精选12篇）
抽油机控制器 篇1
大庆某油田在开发初期时, 为了满足生产要求, 抽油机配备大功率电动机, 但随着油田不断开发, 出现一些间歇出油、供液不足的低效井, 此井运行功率远小于电动机额定功率, 运行参数不能合理匹配, 无功损耗大, 功率因数低, 大大增加了能耗。采用抽油机伺服控制器, 通过实时检测功图, 跟踪抽油机负载变化, 合理匹配油井运行参数, 使抽油机工况始终处于最佳的运行状态, 降低了无效损耗, 实现了节能。
1 伺服控制器
1.1 伺服控制器的结构
抽油机伺服控制系统由伺服控制柜、编码器、极限开关、负荷传感器组成。伺服控制柜负责接收传感器信号、发送控制指令, 完成抽油机的智能化控制[1];编码器能够实时反馈电机速度、位置的变化情况;极限开关监测抽油机上下冲程周期及转换点的变化;负荷传感器负责检测抽油杆负荷, 确定示功图。
1.2 伺服控制器的工作原理
伺服控制器为全闭环智能控制系统[2], 通过负荷传感器、极限开关和编码器反馈参数信息给数控系统, 数控系统通过与实际工况进行比较, 再发送调整指令给电动机, 从而使抽油机工况与运行参数达到合理匹配, 降低无效能耗, 实现节能。
2 伺服控制器的节能功能
1) 实现工况相同条件下的节能。伺服控制器通过电动机编码器和电流传感器反馈回来的信号, 合理输出电动机扭矩, 降低电动机的铜损和铁损, 从而实现相同工况下的节能。
2) 自动调参。伺服控制器通过实时检测功图, 根据抽油机负载的变化, 自动跟踪调参, 冲速从0.1 min-1至15 min-1任意可调。同时, 伺服控制器还能够自动调整抽油机上下冲程的速度, 可以实现快上慢下、慢上快下、慢上慢下等功能。
3) 电容补偿。伺服控制器在主回路滤波电路中安装大容量电容, 通过补偿电容, 能够降低无功功率, 提高功率因数。
4) 软启动节能。伺服控制器能够实现电动机电流从接近于零上升到额定电流的软启动功能, 避免启动电流过大对电网造成冲击, 延长设备使用寿命及维修周期。
3 现场应用效果
2011年4月, 在26口抽油机上安装伺服控制器, 并进行测试。结果显示, 安装前后产量基本稳定, 冲速下降0.5 min-1, 平均有功功率由4.04 kW下降到3.2 kW, 平均单井日节电20.16 kWh, 平均无功功率由18.88 kvar下降到3.52 kvar, 平均功率因数由0.25提高到0.82, 有功节电率20.79%, 无功节电率81.4%, 综合节电率28.24%。
为了挖掘抽油机伺服控制器的节能潜力, 2011年6月再次试验, 观察抽油机在不同运行状态下的节能效果。
试验1:首先将抽油机伺服控制器由工频状态转换到伺服状态, 在原有抽汲参数不变的情况下, 待生产稳定后进行系统效率测试。
测试结果显示:上下同速状态, 伺服状态与工频状态相比, 消耗功率下降了0.35 kW, 单井日节电8.4 kWh, 功率因数提高了0.42, 综合节电率16.09%。从试验数据可以看出, 在各项参数不变的情况下, 工频转换到伺服状态, 具有一定的节能效果 (表1) 。
试验2:保持伺服上下同速状态, 降低冲速, 待生产稳定后进行系统效率测试。
测试结果显示:上下同速状态, 冲速由4 min-1下降到3 min-1, 消耗功率下降了0.34 kW, 单井日节电8.16 k Wh, 功率因数提高了0.03。从试验数据可以看出, 适当地降低冲速, 节电效果 (表2) 比较明显。
试验3:上下同速状态调整为上快下慢运行特征, 待生产稳定后进行系统效率测试。
测试结果显示:上快下慢运行特征与上下同速相比, 消耗功率提高了0.11 kW, 单井日耗电2.64kWh。从试验数据可以看出, 采用上快下慢运行特征有一定的能量损失 (表3) 。
试验4:上下同速调整为上慢下快运行特征, 待生产稳定后进行系统效率测试。
测试结果显示:上慢下快运行特征与上下同速相比, 消耗功率下降了0.2 k W, 单井日节电4.8kWh, 综合节电率6.32%。从试验数据可以看出, 上慢下快与上下同速状态相比, 节能效果 (表4) 更加明显。
从4组试验数据可以看出, 对于同一口油井, 在不影响产量的前提下, 根据抽油机工况的变化情况, 适当地改变其运行参数, 能够实现抽油机负载与电动机冲速的合理匹配, 提高设备利用率。
4 效益分析
现场应用抽油机伺服控制器26台, 平均单井日节电20.16 k Wh, 预计年节省电费4 375元。伺服控制器单价1.89万元, 投资回收期4.3年。
抽油机伺服控制器通过实时检测功图, 根据抽油机负载的变化, 合理匹配油井运行参数, 使抽油机工况始终处于最佳的运行状态, 降低无效能耗, 具有很好的推广前景。
5 结论
1) 应用26台抽油机伺服控制器, 平均单井日节电20.16 kWh, 功率因数提高0.57, 综合节电率28.24%, 具有较好的节能效果。
2) 伺服控制器调参方便, 可任意调整电动机冲速和抽油机上下冲程的速度, 使抽油机工况达到最佳的运行状态, 降低无效能耗。
3) 根据抽油机工况的变化情况, 适当地改变其运行参数, 实现抽油机负载与电动机冲速的合理匹配, 达到更好的节能降耗目的。
参考文献
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[2]田宇.伺服与运动控制系统设计[M].北京:人民邮电出版社, 2010:24-25.
抽油机控制器 篇2
船舶柴油机废气排放及控制技术
随着航运业的不断发展,船舶柴油机废气排放引起了许多国家和国际组织的重视. 文章从IMO制定的<防止船舶造成大气污染规则>出发,总结了SOx、NOx的`生成过程和产生的危害,介绍了当前降低SOx、NOx排放污染物的技术措施,并讨论和分析了各种措施的可行性及其优点和适用范围.
作 者：张玉阁 Zhang Yuge 作者单位：天津海员学校,天津,300451刊 名：天津航海英文刊名：TIANJIN OF NAVIGATION年，卷(期)：“”(2)分类号：U6关键词：船舶SOx NOx 排放 控制技术
船用柴油机排放控制技术 篇3
不论是发动机性能提升或污染排放成因的探讨，最终还是都得回到对发动机缸内燃烧工况的探讨。污染排放的形成受到许多复杂因素的影响，许多研究都集中在优化喷油嘴设计、调整喷油正时、改变燃烧室形状等方法，根据这些基本思路目前市面上出现的新型升级版发动机基本上能满足IMO排放标准II的要求。然而要达到排放标准III的要求，目前出现的技术主要集中在对排气的净化处理或者是使用新型燃料。
关键词：环境污染 船用发动机 SOX NOX 双燃料 SCR
1 概述
1.1船舶排放污染
当今世界，尤其是中国，环境保护已经刻不容缓。近年来， 我国经济持续快速发展，对石油资源的需求不断增长。据统计，2013年我国石油消费量约为4.9亿吨，由此造成的大气污染也越来越显著。主要表现在这几年在中国部分城市冬季出现的严重雾霾现象越来越突出，出现频率也越来越高。近年来已经开始注意的到船用柴油废气排出所造成的污染问题，这些污染物质夹带致癌成份进入人体，而导致呼吸系统的疾病。而传统柴油发动机在压缩行程末了时将柴油喷入，燃烧室中之燃油及空气混合不均匀，因局部缺乏足够氧气燃烧，易形成一氧化碳（CO）以及黑烟，且燃烧不完全的燃料也转化为HC排放至大气中。喷雾中央为油气过浓（Fuel Rich） 区域，使燃烧室的某些区域产生非常高的燃烧温形成氮氧化物（NOX）。同时，船用柴油机大量使用劣质重质柴油，其含有大量硫磺成份，经燃烧后生成硫化物（SOX）排入大气。由于劣质燃料的使用，也产生大量黑烟粒子（Particulate）。它们都具有强烈的腐蚀性，同时对人类生理也有刺激影响，可造成较大危害。由于船用大型柴油技术升级，提高了过量空气系数比，燃烧相对比较完善，因此在其污染排放废气中的一氧化碳和未燃径的数量相对较少。其主要有害排放为成分氮氧化物（NOx）、硫化物（SOx）。因此，对船用柴油排放的限制，主要是对氮氧化物、硫化物以及烟尘颗粒的限制。
1.2 IMO MARPOL 排放限制公约
船舶污染排放控制为IMO（国际海事组织）制定实施。
1990年9月，IMO在《防止船舶的空气污染及燃油品质》文件中提出了船舶污染排放控制指标。
1995年9月，IMO第37次海洋环境保护委员会会议提出新增“MARPOL 73/78公约”附则VI。附则分为两章，共计19条和4个附录。IMO防止船舶大气污染的目的是将船舶NOX的排放量削减至现有水平的70%和50%，以及使用优质燃油。
1997年 ，IMO第39次海洋环境保护委员会会议通过“MARPOL73/78公约”附则VI，即“防止船舶造成大气污染规则”。其适用于所有除游艇和渔船外，总吨位大于500吨的货轮。同时，会议还通过了“船用柴油机发动机氮氧化物释放控制技术规则”。
2000年开始，IMO实施了严格的NOx排放标准。
2008年10月，IMO最新修正的MARPOL公约附则VI，对NOx排放以及使用燃油的含硫量提出了三个阶段等级的限制要求，及Tier I 至Tier III。
IMO 规定， SOx和PM降到等效排放的减排技术均可接受。为满足IMO对船用柴油机有害排放等级的要求， 国内外各大船用柴油机研发制造企业均相应在原有机型上做出了改进，或开发出新的满足排放标准的机型。
2 有效较少NOx的解决方案（IMO 排放等级II）
现代直喷式柴油发动机在压缩行程末段时，喷入燃油燃烧，造成局部浓油在预混燃烧阶段温度最高造成 NOx 较高。研究NOx的生成原理，得知NOx生成的基本主要因素为瞬时燃烧温度和氧气浓度。温度越高，氧气浓度越大，则NOx生成量越大。控制NOx的生成，也就是最就是要控制燃烧反应瞬时的温度，以及控制氧气过量系数。为达到此目的的方式都通称为缸内处理技术。它们包括采用电子控制喷射技术，改进优化燃烧室结构，改进增压技术以及采用可变喷气/排气定时等，来优化燃烧过程。通过这些措施使得缸内之油气均匀分布，造成中间局部浓油较少，燃烧温度也就降低，NOx也相对降低。通过缸内处理来改善柴油机性能和排放的方式还有很多。但无论采用何种方式，均可认为其基本原理都为通过调整燃烧系统参数，改善燃烧环境来改善燃烧效果，从而提高排放性能。各大柴油机厂家都在此方面进行了深入研究，此方法已证明适用于船用柴油机。
从目前技术开发以及应用来看，缸内处理技术能有效的减低了燃烧过程中产生的NOx排放，使柴油机排放满足IMO规定的排放等级标准II。
2.1 共轨喷射技术
在提高船用柴油机燃烧技术上，采用共轨技术，及电子控制喷射技术是发展方向之一。传统柴油机采用凸轮轴驱动燃油高压油泵，控制喷油定时。凸轮轴的外形决定了柴油的喷油定时，喷油压力的建立等。由于柴油机凸轮轴外形在柴油机设计时依据某一最固定工况进行设计，柴油机制造后凸轮轴及固定。因此相关的喷油压力，喷油提前角成为柴油机的固有参数，不能根据需要进行调节。而喷油压力，喷油提前角是柴油机喷射系统的主要控制参数。喷油压力直接影响燃油雾化和混合气体形成质量，与喷油提前角相配合最终影响到燃油燃烧的经济性和排放成分。共轨技术则完全改变了相关燃烧参数无法更改的状况，通过共轨控制喷油系统，在柴油机高负荷时延后喷油正时以减低NOx排放量，在低负荷时提高喷射压力以提高热效率并减少黑烟，提高燃油经济性和改善排放性能。实验证明其中通过通过以上方法有效的降低NOx排放。基于共轨技术喷油系统的柴油机已经在船舶上开始大量应用。
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以MAN公司2000年后推出市场的四冲程柴油机32/44CR机型为例。该机型缸径320mm，冲程440mm，单缸功率为560kW。跟传统机型相比，此机型采用了MAN公司研发先进的喷油共轨技术，及电子控制喷射技术。（见图1）
共轨喷油技术的使用，解决了传统喷油依靠凸轮轴进行喷油定时带来的无法根据负荷和转速实时调节喷油时间的缺陷。同时其先进的电子控制系统可以根据柴油机的实时工况对喷油压力和喷油过程进行优化，结合其他优化方式，使得柴油机无论在油耗率上，还是在排上均达到了领先的水平。
根据MAN公开的试验数据显示，和传统柴油机相比，在低负荷和部分负荷工况下，共轨电子喷射柴油机NOx排放最低仅为传统柴油机的75%（见图2）。
2.2燃烧室形状优化
柴油机燃烧室由汽缸盖和活塞组成。油气的充分均匀混合才能使得柴油机燃烧充分，从而在效率和性能上大幅提高。因此优化燃烧室形状就是要向着能使油气混合更为充分方向努力。通常的做法为在活塞上采用对称于喷油路径的浅凹形燃烧室，同时让燃油的燃烧在上止点后才开始，这样燃烧过程接近等压燃烧过程。这样在油气充分混合下，瞬时燃烧最高温度可以大幅降低，从而到达在，减低NOx和噪音，同时依然保持柴油机的经济性。MAN公司在其大型二冲程MC柴油机中采用一种称为Oros的新型燃烧室结构（图3），其活塞顶部呈浅W形，与改进气缸盖配合调整形成了新的燃烧室结构，代替原先的浅凹形，可使燃烧温度下降80℃～90℃，燃烧热流量减少20%以上，局部最大热负荷降低25%～35%，使得在维持原有油耗率水平上，减低了NOx排放。
中小型中高速发动机上也同样采用了优化燃烧室空间，增加了油气混合充分度，达到化燃烧优化和降低有害污染物排放的效果。
2.3 改进增压技术
更低的燃油消耗率和有害废气排放是新一代大型两冲程和四冲程发动机研发的两大并列目标。新型发动机（图4）运用了米勒循环原理，及四冲程发动机上对进气门，两冲程发动机上的排气门，引入了一种特殊的定时系统。但是米勒循环过程在这两种发动机的实现过程有所不同。
从原理上来说，在压缩行程期间，气缸中的压缩比变小，燃烧阶段的起始温度随之下降，这将直接减少生成的NOx。为了获得相似的热力循环环境，如缸内压缩终了压力和缸内空气量（空气过量系数），因此其中部分气体压缩过程必须转移到增压阶段，使最终压缩压力获得与之前相类似的条件。这样更高的增压比就成为必须。因此也就需要更高效的增压器。
在四冲程发动机中，如果进气门与排气门之间的扫气梯度是足大的正梯度，则换气过程对改善发动机的工作是有帮助的。这就是大的扫气梯度可以通过更高的增压器增压系统来实现，增压系统效率通过具有中间冷却功能的双级增压系统来提高，相对于单级增压系统来说，实现最大增压的潜力不受影响。曼柴油机与透平公司在新推出的TCX系类中，专门针对四冲程柴油发动机双阶增压开发了一款涡轮增压器，总增压比大于10。
3 有效较少NOX的解决方案（IMO 排放等级III）
前面讨论了，通过优化柴油机内部、改善燃烧环境只能使目前市面的柴油机排放等级达到IMO规定的排放等级II的要求，离排放等级III的要求还相距甚远。 因此要使柴油机有害排放控制上有大幅突破到达IMO排放III的标准，还需要采用其他的技术。目前市面上主要有直接对尾气进行净化处理的SCR解决方案，也有废气再循环的解决方案。 同时采用新型燃料也可以有效降低柴油机排放。这里重点介绍采对尾气进行处理的SCR系统。
3.1 双燃料发动机
双燃料发动机通常指既可以使用柴油，又可以使用液化天然气或者其他可代替燃料作为主要燃料的发动机。在当今石化燃料过量使用，导致温室气体效应不断增大情况下，使用液化天然气作为燃料可以大幅降低二氧化碳的排放，同时在NOx和SOx等有害排放上均可以达到了IMO排放等级Teri III的要求。同时基于通常市场上液化天气和液体石化燃料在市场价格上的区别，使得使用LNG做为燃料的运营船舶能有更好的经济性。因此双燃料发动机的研发推出，对船东节能增效和对社会环境保护都做出了贡献。
MAN公司研发的35/44 DF机型
此机型为四冲程中速柴油机，可使用液体石化燃料，同时也可以使用液化LNG。它的燃烧模式有两种：燃油模式，燃气模式。在燃气模式下，排放等级能满足IMO 排放等级III的要求。（见图5）
同时，在燃气模式下二氧化碳排放降低了约20%， 如图6。
此外，双燃料发动机在燃气模式下SOx的排放几乎为零。在不需要安装任何其他设施或者处理的情况下即可满足IMO 排放等级III中关于SOx排放的要求。
和传统燃料的发动机相比，由于燃料的获取，贮存和使用的存在差异，因此采用双燃料发动机动力的船舶的系统相对要复杂得多。同时对于船舶设计，建造和营运也提出了更高的要求。相信随着液化天然气存储运输技术的不断提高，以及液化天然气加气站的逐步建立，双燃料发动机船舶的应用将越来越多。
3.2 选择性催化还原法（SCR）
3.2.1 SCR 工作原理
SCR 是选择性催化还原的缩写，是一种尾气处理方法。它可以将船用柴油机产生的的NOx减少到符合Tier III排放要求的水平。
在燃烧过程之后的废气管路中安装SCR反应器，NOx通过催化反应被消耗掉。在SCR反应器中，NOx在催化作用下被还原剂氨气还原为氨气和水。反应器中的催化剂由含有大量通道的催化段组成，具有很大的表面积。如图7所示：
NOx 按照以下总反应流程进行还原：
4NO+4NH3+O2= 4N2+6H2O
2NO+2NO2+4NH3=4N2+6H2O
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2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2O
出于安全考虑，氨气通常以尿素水溶液的形式添加。氨气喷入蒸发器时会分解成氨气和二氧化碳：
（NH2）2CO（ab）= （NH2） CO（S） + X H2O （g）
（NH2）CO（S） = NH3 （g） +HNCO （g）
HNCO （g） + H2O （g）=NH3 （g）+ CO2（g）
3.2.2 SCR 系统和布置
SCR 反应器布置在废气管路上，反应器中内置催化还原载体。其主要过程为还原剂通过还原剂供给系统，经控制系统定量注入SCR反应器前端的混合室中，还原剂与废气充分混合后一起进入SCR反应器中。在催化剂载体的表面，废气中NOx与还原剂发生化学反应，从而达到降低NOx的目的。
（1）还原剂供给系统
SCR过程使用的还原剂是无水氨气（NH3）、氨水（25%NH3）或者尿素溶液（溶液32.5%或者40%）。无水氨气属于有毒的危险物质，而尿素没有显著危害，所以船舶使用尿素更方便。此外尿素供给系统没有无水氨气供给系统复杂，但是尿素的用量和存储量更大。尿素还需要使用更为复杂的蒸发和混合过程，这会影响SCR系统的布置。氨水（25%NH3）的处理方式与尿素类似，尽管具有腐蚀性并且对健康和环境有害，但可以采取一些预防措施。喷射过程与所选还原剂无关，采用压缩空气进行喷射。
还原剂的喷射和混合必须有效进行。任何未使用的氨气（剩余氨）很可能在温度降低时与废气反应生成硫酸铵（NH4HSO4），并有沉积在废气系统的风险，比如废气锅炉。
（2）尿素
尿素被供给单元中的尿素泵从存储舱中输送到蒸发器/混合器中。供应单元还配有一个清洗水舱和一个冲洗泵，用于冲洗尿素喷嘴。控制单元控制着尿素和压缩空气喷入蒸发器中。当SCR过程关闭时，尿素喷嘴将被清洗水冲洗，以防喷嘴堵塞。
（3）无水氨气
无水氨气NH3被归类为有毒物质，对健康和环境有害。在正常的环境下，NH3是一种气体，因此加压液化后保存在氨气舱中，氨气的储存舱和供应系统部分（包括蒸发器）必须布置在远离机舱和居住舱室的单独舱室内。喷射供应管线必须是双壁管，并且通风至室外。由于NH3直接用在还原过程中，所以不需要蒸发时间，蒸发/混合器可以替换为小型混合器。
（4）氨水
NH3水溶液（25%）属于腐蚀性物质，对环境有害。氨气存储舱和供应系统部分（包括蒸发器）必须布置在远离机舱和居住舱室的单独舱室内。其用量和存储量基本上与尿素相同。
（5）吹灰系统
为防止反应器不被污染，需要安装一个吹灰风机系统，以便通过压缩空气使SCR反应器保持清洁。吹灰风机在SCR过程中定期运行，反应器内部部件上的烟尘被风机吹松动之后随废气排出。
（6）SCR加热系统
SCR反应器和蒸发器因其部件的尺寸和重量很大，具有很大的热容。该系统应该在进入NOx排放控制区之前及时接通，已使SCR反应器和蒸发器获得合适的工作温度。但是，当船舶进港时，及发动机处在停机状态，此时温度会缓慢降低。这意味着必须使用温度保持所需水平或者加热该系统。为满足这一要求，该系统需要配备伴热装置或使用其他合适的加热方法。
图8为常规四冲程中速柴油机的SCR系统示意图，采用尿素作为还原剂。主要有以下几大件组成：SCR反应器、催化剂载体、吹灰系统、计量供给单元、混合装置、尿素注入装置、尿素存储罐以及尿素输送系统、控制系统。
3.2.3 SCR 的温度控制
SCR过程的一个重要参数就是进气温度。NOx和氨气必须在合适的温度下才能在催化剂的作用下进行反应。这个温度的下限取决燃油含硫量和废气中随后生成的硫酸。硫酸在低温下容易被氨气中和。这会形成粘性产物ABS（硫酸氢氨NH4HSO4），可能积聚在SCR部件中。但是使废气保持高温可以抑制这一反应。当燃油含硫量不高于0.1%时，310℃左右的高温足以抑制该反应。在较低的排气压力时，所需的最低温度也会降低。
另外一方面，温度也不宜过高。因为这会催化剂中形成更多的SO3，随后其会与水反应成硫酸，从而产生额外的白色烟雨。同时在接近500℃左右的高温时，NH3会随着温度的接近而发生氧化，这是一个多余的反应，将会消耗更多的NH3。此外，催化剂材料会在温度高于500℃～550℃时发生烧结。
因此，为了确保SCR操作可靠进行，关键是使废气温度保持在某一温度范围之内。中速四冲程柴油机排气温度相对较高，在该系统中SCR布置在涡轮增压器后侧，这样便于灵活安装布置。在SCR工作过程中，即使是四冲程柴油机，在发动机低负荷或是低温度环境中，废气温度仍然有可能会过低。为了将废气温度提高到所需水平，可以使涡轮高压侧产生的部分废气在一个废气旁通阀（EGB）的控制下通过旁路进入到低压侧，使得进入SCR的废气达到应有的温度。但这种旁路会使得燃油消耗率增加，增加程度因所需温度而异。
本节重点介绍了针对四冲程中速柴油机的SCR系统，指出SCR的控制要点在于控制排气的温度。 SCR系统能完全满足IMO Tier III排放等级要，但同时SCR的使用也增加了船舶的燃油消耗，日常消耗和维护保养也是必须考虑的成本范围。
4 SOx的控制方法
尽管使用低硫燃油可以满足SOX排放要求，但是排放规定允许采用替代方法将SOX排放量降低到等效水平。相应的技术必须遵从IMO中的附加准则，以证明与燃油含硫限值等效。
4.1 低硫燃料
（1）柴油
SOX ECA 限值可以使用低硫燃油来满足，列如使用含硫量低于0.1%的船用低硫油。SOX排放控制区外部的限值比如可以使用含硫量低于0.5%的船用柴油来满足，这一要求将在2020年实施。
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（2）气体燃料
由于液化天然气不含硫，所以可以安装双燃料发动机来满足SOX的限值。此外，在燃油模式下运行时，如果没有减少SOX排放的替代方法，必须使用低硫燃油满足SOX限值。
（3）SOX 洗涤器
与重燃油相比，船用柴油和船用轻柴油等低硫油的成本较高。因此通过废气净化技术开发了减少SOX排放的成本替代方法。废气净化在洗涤器单元中进行，它使用干式或者湿式方法除去SOX和PM。船用主机通常配有湿式洗涤器，该洗涤器使用容易获取的海水或者加油化学品的再循环淡水。
5结束语
本文详细介绍了四冲程中速柴油机为满足IMO排放要求所采取的技术手段，分析得出结论：目前针对改进柴油机本身的燃烧控制过程的方法只能使排放标准满足IMO Tier II阶段的要求。要满足排放标准Tier III，目前主流的方法还是对尾气的后处理。因此，本文重点解析了尾气处理的SCR技术、控制过程以及成本控制等。在降低NOx排放技术中，公认SCR是最成熟、最有效的，使用后能将NOx排放量从15g/kWh 降低到2g/kWh. 从技术角度讲，SCR是有最为光明的前景。
同时，双燃料发动机由于能够使用更为清洁的能源，从而能大幅降低NOx和二氧化碳的排放，在未来新型能源布局逐步加速，以及国家战略的引导下也必将有着广阔的发展空间。
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多功能抽油机节能控制器的研发 篇4
关键词：多功能,抽油机节能装置,研发
目前油田现场游梁式抽油机使用的最多, 因此提高游梁式抽油机的系统效率、节约能耗是油田当务之急。国内外抽油机的节能措施研究主要包括两方面:一是设计新型的抽油机, 国内外研究和推广了许多节能降耗的抽油机, 抽油机向降耗、节能和智能监控方向发展;二是对现有的抽油机进行节能技术改造。由于第一种节能措施要改变抽油机的自身结构, 造价太高, 所以相比较而言, 采用第二种方法进行节能是一种造价相对低廉, 可行性好的措施。而游梁式抽油机按能量消耗情况, 可以把抽油机系统分成电机、四连杆机构、载荷平衡装置和传动元件四部分。提高上述四部分的效率是提高抽油机系统效率的重要途径。因此, 目前游梁式抽油机节能方法主要有变“参数”四连杆机构实现变矩节能、改变游梁机的结构形式实现节能、改变平衡方式实现节能、改造和利用先进的控制技术控制电动机实现节能[1,2]。这些节能方法目前在油田得到了较好的应用, 也收到了良好的效益, 但是这些节能方法大都是单一的、独立的应用, 不能有机地、系统地应用到抽油机的节能上。针对这一现实, 我们开发了集抽油机间抽、电机节能、变矩平衡节能技术于一体的“多功能抽油机节能控制装置”, 较有效地解决了抽油机的综合节能问题, 大大地提高了抽油机的综合节电效果, 同时也代表着油田抽油机节能的发展方向。
1 多功能抽油机控制装置的节能原理及功能特点
多功能抽油机节能装置的控制系统由三部分组成:一是抽油机电机节能控制子系统;二是间歇性采油节能控制子系统;三是抽油机平衡变矩节能控制子系统。多功能抽油机节能装置是集间歇性采油、电机节能和平衡变矩节能与一体的综合节能装置。当抽油机起机运行平稳时, 多功能抽油机节能控制装置首先检测抽油机平衡块是否处于平衡状态, 如果处于平衡状态, 则抽油机平衡变矩节能控制子系统不工作, 维持原平衡状态;如抽油机平衡块处于不平衡状态, 则启动抽油机平衡变矩节能控制子系统工作, 调节控制子系统的平衡滑块的位置, 直至抽油机处于平衡状态, 此时, 系统维持平衡滑块的位置, 停止抽油机平衡变矩节能控制子系统的工作, 24小时后 (子系统每天调整一次) , 该子系统重复上面的过程, 这是因为油井下的各参数在持续的开采过程以后有可能发生改变, 造成抽油机新的不平衡, 抽油机平衡需要重新调整的缘故。当抽油机处于平衡状态后, 多功能控制器启动抽油机电机节能控制子系统, 使抽油机电机在节能状态下运行, 同时, 间歇性采油节能控制子系统的抽油杆载荷传感器不断检测抽油杆的载荷变化情况, 判断抽油机的运行是否处于空抽状态, 如处于空抽状态, 控制系统立即使抽油机断电, 避免空抽的发生。待井下液面回复后, 控制系统自动恢复抽油机供电, 重复上面的抽油机节能控制过程。
1.1 抽油机电机节能控制子系统的控制原理及功能特点
1.1.1 电机节能控制子系统控制原理
电气设备, 在运行中经常会有空载或轻载的情况, 人们喜欢用“大马拉小车”形象地形容电气设备的轻载。就抽油机而言, 造成“大马拉小车”现象的原因主要有两个:一是设计时抽油机 (抽油机实耗功率一般小于装机功率1/3) 和电机选型过大, 使抽油机处于轻载运行;二是抽油机负载特性造成的。抽油机的载荷是交变的载荷, 这就使抽油机在一个冲程里有相当一部分时间处于轻载运行[2]。轻载运行使得电机功率利用率变低, 造成电机无谓耗损电能, 因此对电机实行节能是十分必要的。对抽油机电机节能, 多功能抽油机节能装置采用的是目前最为先进的变频技术。
抽油机电动机的工作效率 (输出功率/输入功率×100%) 与抽油机的负载率 (输出功率/额定功率×100%) 有直接关系, 抽油机的负载率越低, 则电机的工作效率越低, 反之亦然。就是以变频技术为基础, 根据电动机的负载率大小, 通过改变频率, 调整抽油机电机的运行电压和电动机的输入功率, 保证电动机在最佳负载率下运行, 减少电动机的铜损、铁损、杂散损耗和附加损耗 (即有功功率和无功功率) , 提高功率因素, 进而提高电动机的实际运行效率, 达到节电增效的目的, 使抽油机电机的综合节电率在10%以上, 功率因数应由原来的0.3左右提高到0.9以上。
1.1.2 电机节能控制子系统的功能特点
(1) 零启、软启节电功能
在电机启动过程中使电机拖动系统平稳过渡到额定转速, 有效地限制启动电流, 避免了启动电流过大时对电网造成的冲击及快速耗电等缺陷, 同时可降低电机和供电变压器的装机功率。
(2) 通过运行频率的调整, 改变电机的转速
抽油机的耗电功率P∝N 3 (N为抽油机电机的转速) , 调整转速N并满足最佳冲次及上下冲程速度时, 就可以改变抽油机的耗电功率。若转速N为一半额定转速, 则其耗电仅为电机额定功率的1/8, 可见调节电机的转速N, 来降低抽油机的耗电功率是十分有效的途径, 效果显著。
(3) 通过频率和时间的分别调节功能, 改变抽油机上、下行程速度
抽油机运行过程中, 在冲次一定的情况下, 通过分别调节输入抽油机上、下行电机频率值, 可实现抽油机上、下冲程速度的改变, 使抽油机的参数趋于合理;如果控制抽油机上行时电机的频率大于下行时电机的频率, 即抽油机上冲程速度快, 下冲程速度慢, 上冲程时间可相对减少, 下冲程时间可相对延长, 可减少泵的相对漏失量, 达到增产的目的。与此相反, 也可以控制抽油机上行时的频率小于下行时的频率, 即上冲程速度小于下冲程速度, 在冲次一定的情况下, 上冲程时间相对延长, 下冲程时间相对减少。上冲程时间的相对延长, 使原油进入深井泵的时间相对延长, 从而提高了泵的充满系数, 提高泵效, 达到增产的目的。同时, 在运行过程中, 降低了电机的输入频率, 从而降低了抽油机的电量消耗, 达到了节能的目的。
通过运行频率的调整, 可以适当改变抽油机的冲次, 即合理调整抽油机的抽汲参数, 使抽油机处于最佳工作状态, 达到节能高产目的。
(4) 动态功率因素补偿功能
变频抽油装置适时地检测负载轻重, 调节电机的端电压, 使cosφ趋近于1, 也就是让无功功率趋近于零, 让视在功率约等于有功功率。将功率因数应由原来的0.3左右提高到0.9以上, 降低无功功率, 减少线路损耗。
(5) 保护功能
装置应具有过压、过流、过热等自动保护功能, 这是安全生产所必需的。
1.2 间歇性采油节能控制子系统的控制原理及功能特点
1.2.1 间歇性采油节能控制子系统的控制原理
对于产量低的低渗透油井, 如果在采油设备不变且连续抽汲的情况下, 就会出现明显的泵效降低和空汲现象, 这样即耗能又损害抽油设备。如果利用变频技术在冲程不变的情况下, 降低冲次, 延长了单位液/吨的抽汲时间, 可以避免空抽, 但无谓增加了电机的轻载工作时间, 电机的有用功耗损过大, 是变频技术无法祢补回来的。为了更有效地节电, 多功能抽油机节能装置设置了间歇性采油节能控制子系统。当要发生空抽时, 抽油机断电停抽, 待油井液面上升到一定高度后恢复抽油机工作, 以达到节能的目的, 此种方法节能最为显著。
间歇性采油节能控制子系统设置了专用载荷传感器, 对抽油机的光杆载荷进行准确检测, 通过光杆载荷平均值大小的计算来检测抽空的发生, 较大的载荷平均值表示将要发生空抽, 控制系统命令抽油机断电停抽。而较小的载荷平均值则表示油井中液面较高、液量多, 抽油机继续工作。
1.2.2 间歇性采油节能控制子系统的功能特点
(1) 抽油机的工作能动态地响应油井负荷的变化, 不影响油井的产量, 以达到最佳的节能效果。
由于设置了载荷传感器, 能实时检测油井负荷的动态变化, 实现智能间抽控制, 避免了人工操作和简单的定时器间抽不能使抽油机动态地响应油井负荷的变化, 达不到最佳的节能效果并有可能影响油井产量的弊端。
(2) 系统中设置了存储单元和外设接口电路, 光杆的载荷数据可随时存储到存储单元中, 并可取出用于回放。
抽油机光杆的载荷数据是抽油机极为重要的参数, 是分析井下工况的示功图的必备数据, 通过示功图可对抽油机运行情况进行全面的分析, 并可对井下工具进行全面的故障诊断。
1.3 游梁式抽油机变矩平衡节能系统的控制原理及功能特点
1.3.1 游梁式抽油机变矩平衡节能控制系统的控制原理
如图1所示, 该系统由直线伺服电机、平衡车、载荷传感器等组成。
由于游梁式抽油机的净扭矩=抽油杆载荷扭矩+平衡扭矩+惯性扭矩, 抽油机在正常工作时, 井下液面随着时间的变化而有所变化, 因此抽油杆载荷扭矩也随之发生变化, 在冲次、冲程保持不变即惯性扭矩保持不变的情况下, 如要保持抽油机的净扭矩不变, 则必须调整平衡扭矩的大小, 以往多是靠人工调整平衡块, 而且多数是在极不平衡的情况下间断性调整, 也就是说抽油机多数是在不平衡的情况下运转, 这样抽油机在采油过程中就要多消耗由于不平衡而造成的能量损失。游梁式抽油机变矩平衡节能控制系统就是为了解决由于抽油机不平衡而造成的能量损失而设置的。通过载荷传感器检测光杆的载荷, 进而换算出抽油杆载荷扭矩的变化情况, 此时的抽油杆载荷扭矩的变化包括两部分, 一部分是假设动液面不变时的抽油杆载荷扭矩, 一部分是动液面发生变化了的抽油杆载荷扭矩的变化值, 实际上这种动液面发生变化了的抽油杆载荷扭矩的变化值就是由直线伺服电机带动的平衡小车所要调节的平衡扭矩值, 此时的扭矩值是由调整平衡小车的位置来调节的。这种动态平衡节能技术解决了抽油机载荷在抽油过程中由于井下参数变化带来的不平衡问题, 使抽油机在运行过程中相对处于平衡状态, 从而实现抽油机的节能。
1.3.2 游梁式抽油机变矩平衡节能控制系统的功能特点
(1) 变矩平衡节能控制系统中的抽油杆载荷传感器跟间抽系统使用的抽油杆载荷传感器是同一个传感器, 此种传感器便于控制的实现, 还能提供油井管理上最重要的资料“示功图”, 一举多得。
(2) 抽油机的平衡是一个相对的平衡状态, 更有利于节电。由于变矩平衡控制系统中设置了电机, 电机本身是耗电设备, 电机的耗能不能不考虑, 因此, 系统设置的控制系统的工作制是24h系统调节平衡1次, 此种调节要比纯粹的动平衡调节更为有利, 同时也避免了频繁的调节易损坏电机和平衡小车的弊端。
2 多功能抽油机节能控制装置的节能效果分析
(1) 对于抽油机电机的节能, 由于采用了变频技术, 抽油机在正常运转时, 合理调整了抽油机的抽汲参数, 使抽油机处于最佳工作状态, 达到节能增产目的, 平均单井增产10%～20%。同时根据载荷的大小, 实时地调节电机端电压, 一般情况下, 将功率因数由原来的0.3左右提高到0.9以上, 降低无功功率, 减少线路损耗, 平均单井综合节电率在10%～20%。
(2) 对于间抽控制系统, 由于缩短了抽油时间, 大大减少了能量消耗, 平均可多节约能量15%～30%。智能间抽控制使油井达到了较低的平均液面, 较低的井底流压使较多的液体流入井底, 增加了产量, 通常可增产1%～4%。同时由于消除了井下的液击现象, 可使井下和地面设备的维修费用减少20%～30%。另外, 由于示功图的轻松获得, 可提前检测到油井故障, 制定预防措施, 可进一步减少了所需的修井作业量, 此项贡献更为突出。
(3) 对于平衡变矩控制系统, 由于智能调节, 使抽油机大多在平衡状态下运转, 平均单井节电在3%～5%。
(4) 多功能抽油机节能控制装置的综合节电率在30%～50%, 增油12%～20%。
3 结论
多功能抽油机节能控制装置是将多种节能方式集于一身的抽油机综合节能装置, 对抽油机的节能是一个很大的技术进步, 该装置不仅节能效果好、有效地增加油井的产量, 并容易获得泵“示功图”及时地了解井下工况进行故障诊断, 便宜油井管理。
参考文献
[1]刘合, 高甲善, 王雪艳.关于抽油机井合理间抽制度的研究.石油钻采工艺, 2000; (1) :69—71
柴油机冷却水温度控制系统的改进 篇5
柴油机冷却水温度控制系统的改进
目前船舶柴油机采用的气缸冷却水温度自动控制系统,在柴油机负荷突变或超负荷的情况下,会造成气缸冷却水进口温度过低或出口温度过高,无论哪种情况的出现对柴油机都是不利的.为此,本文提出一种改进措施,采用温度一流速双量控制方式.通过该控制方式能有效地防止上述情况的`发生,同时又使进出管口的温差不超过12℃.
作 者：祁辉宇 作者单位：江苏海事职业技术学院轮机工程系,江苏,南京,211170 刊 名：机电技术 英文刊名：MECHANICAL & ELECTRICAL TECHNOLOGY 年，卷(期)： 32(2) 分类号：U664.81+4 关键词：冷却水 进口温度 出口温度 定值控制 双量控制抽油机节能电机的应用分析 篇6
关键词：抽油机；节能电机；同步电动机；应用分析
当前，我国石油开采一般使用的抽油机主要是常规的游梁式抽油机，而这种带负荷的启动装备在运行时转矩较小，但启动时转矩大，这就造成了功率过大的问题，并且其在正常运行的过程中处于轻载状态，其效率与功率大大降低，也因此浪费了非常多的电力资源。从经济方面来说，浪费的电力资源增加，随之增大的当然就是电机的运行成本。这也充分体现出发展节能电机对于提高油田企业经济效益的重要性。以下就以几种当前油田开采最常用的电动机节能进行分析，根据实际采油情况探讨了如何选择节能抽油机。
1、永磁同步电机特性分析。
就结构方面来说，永磁同步电动机主要采用永久性的磁铁来替代磁绕组实现激磁，由定子、转子等重要部分组成。与一般的三项异步电动机相同，永磁同步电动机的转子上设置了鼠笼条与稀土磁钢，以异步启动同步运行为基本原理，综合了异步与同步两种电动机的优势。这种电动机在启动时，其笼条与旋转的磁场相互作用产生异步启动的力矩，但这种方式并不适用于同步电动机，永磁磁场要与旋转磁场之间相互作用，才能带动负载工作。与异步电动机相比，永磁同步电机没有转差损耗，不仅提高了电机的功率因素，还减小了定子的电流，同时降低了铜损，提高了电机效率。
2、超高转差率电动机特性分析。
超高转差率的电动机主要由节能控制箱、电动机等部分组成的一种带动设置，其中可以将控制箱与电机做成连体式或者分体式两种形式。这种电机的机械较软、启动时电流低且转矩高，对于节能控制箱还有缺相、过载以及过热等功率因素还有保护等功能作为补偿。超高转差率的电动机运用在油田开采的抽油机中，在一个冲刺内的速度变化较快，可以利用系统中的动能均衡作用，至少可以减少减速箱中的最大净距。用扭矩的变化范围并不大，曲线也相对平坦，这就减轻了抽油机齿轮因疲劳而产生破坏的情况。其次，超高转差率的电动机具体有软特性，所以光杆即使是在重载的情况下，也会以匀速的状态运行，不仅减小了油杆的最大应力，更将变化范围也进一步缩小，使得断脱与疲劳的可能性更小。另外，由于抽油机自身的重载运行时间大大超过了轻载运行的时间，所以在电机的高效区设计时，必须使其在轻载荷区上。而普通的电动机抽油机在运行的过程中，会接近上下死点，才能刺激发电机迸发出电状态，此时的电动机已经超过了同步电机的转速运行，因此会将电能传输给电网，从而造成较大的能耗浪费。所以说，超高转差率的电机非常适用于这种情况下的石油开采。
3、变频调速电机性能分析。
变频调速电动机的原理就是：使用计算机程序来对电机中的变频控制柜进行合理的控制，具有能集合抽油机与电机两者工作特性的特点，一般被用于自动识别上下形成等。一般来说，变频调速电动机能对上下两种形成的功率速度进行调整，非常有灵活性与稳定性。依据电机的频率、转速等，还可以对抽油机进行冲次增加或减少的操作，这样一来就使得抽油机的泵效增大，以平衡油汲。因电动机使用了变频调速来控制，所以能将功率因素增加到0.9以上，使电网与变压器的负担得到减轻，同时还能降低线损率。在实际的运用中，不但能节约电能，还能增加原有生产产量，是非常适用于当前的石油开采工作的。
4、低速电动机的性能分析。
以保持频率不变，对异步电机的磁极对数进行改变，使得同步电机的转速也改变的原理可知，当电机在一定的负荷下发生稳定的变化时，低速低能的电动机可以实现减少泵空行程、调整抽汲速度的目的。通常，配备的低速电机可以分为两种方式。第一，就是在新的抽油机上设置低转速的电机来实现，但这种方式只适用于引进新的抽油机，因成本较高，一般不用在老抽油机设备上。第二，将旧抽油机设备的电机进行改造，一般我们将改造分为6级与8级，通常就是将6级或者8级的电机定子线圈重新绕制之后，形成12级和16级的电机，这样一来也减少了对老抽油机的资金投入，相对较为经济性，且改造后的抽油机最低冲次可以实现减少到原来的一半。
总而言之，对于抽油机的节能电机研究与应用还有很多方式，发展到今天，这些节能电动机不但实现了电机本身的功能，更是进行了更大的优化，从根本上解决了基材系统的众多运行问题。利用永磁同步电机、超高转差率电动机以及变频调速电机等一系列的节能电机的研究应用，从根本上实现节能采油，促进石油开采的可持续发展。
参考文献：
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[4]戴剑飞，闫玲，杜红勇，安蓉.抽油机节能电机实验室检测分析[J].安全、健康和环境，2012，04：33-35.
抽油机节电控制系统研究 篇7
做为油田的主要工作设备, 抽油机的使用量占整个抽油机市场的90%以上, 油田抽油机不同于一般负载, 它要求配套电机的启动转矩很高, 因此就要提高配套电机的容量, 这样随之而来的问题就是产生电能的严重浪费, 如何实现抽油机的高效节电控制, 对降低开采石油的成本具有重要意义。
本文针对此问题探讨了利用晶闸管为主要功率元件的节电控制装置的实现, 通过监测电机对有功功率的实际需求, 对输送给电机的电压、电流的相位角在线调整, 并能根据电机负载变化的情况, 自动在线实时检测油井下的工作状况, 并根据油井下的工作状况, 作出分析与判断, 使油井始终工作在最佳的工作状态, 达到了降低功耗、节约电能的目的。
1. 抽油机节电途径
实现抽油机的节能可从两方面考虑, 其一要从电机本身出发, 就是提高电机效率和负载率, 进而提高电机的运行效率和功率因数;其二就是要从系统本身出发, 改变电机力学特性, 使系统的各个部件达到最佳配合, 提高整个系统的工作效率。归纳起来, 抽油机的节电途径大致有以下几方面:
(1) 变频调速控制技术:
采用变频调速技术降低电机转速, 减少电机功率, 使抽油机工作在最佳运行状态, 变频器和制动单元配套使用, 提高了系统的可靠性。
(2) 电机定子绕组调压控制技术
通过调节电机定子绕组的接法, 实现减压, 电机正常运行时, 定子绕组采用的是三角接法, 在起动是变为星接法, 通过这一过程对电机进行减压, 降低了系统的功耗。
(3) 变频电源控制技术
采用基于变频电路的电源系统, 实现电源电能的双向控制, 这种电源系统的功率因数接近于1, 是快速制动负载的最佳电源选择。
(4) 晶闸管调压调流控制技术
采用晶闸管为主要功率元件, 来控制电流、电压的大小, 可以达到降低功耗、提高系统适用性的作用。
本文采用晶闸管调压调流控制技术, 对输送给电机的电压、电流的相位角在线调整, 用以达到降低功耗、节约电能的目的。
2. 抽油机节电基本原理
抽油机节电控制原理框图如图1所示, 主回路采用三对反并联晶闸管做为调功器, 这样可以动态跟踪电机的功率因数或输入的电功率, 从而达到最佳节电效果, 在负载突然增加时也可得到及时的响应, 避免电机堵转。可以采用单片机控制, 使其具有完善的保护功能。并且能够根据电机负载变化的情况, 自动在线实时检测油井下的工作状况, 并根据油井下的工作状况, 作出分析与判断, 或加大输出力矩, 增大油井抽油杆的抽吸力, 使更多的油液通过抽油泵的固定阀进入工作筒, 或调整冲次, 或按一定的规律调整上、下冲程的速度等, 以提高抽油机的“泵效”及“泵”的充满度, 使油井始终工作在最佳的工作状态, 从而达到增产和节能的目的, 通过现场试验测试, 其增产率可达到12%以上。
3.软启动技术的应用
在各个领域已经利用了电机的软启动技术, 通过降低输送给电机启动时的电压来实现电机的软启动, 软启动可以实现减少电机启动时过大的冲击电流也可以减小全压启动时过大的机械冲击。这种软启动就和缓冲启动器一样, 通常采用晶闸管来准确地控制所输入给电机的电压。晶闸管的特性是当门极G有一小的门极电流IG而阳极A与阴极K正偏时会迅速由“截止”状态转为“导通”状态。软启动是通过控制晶闸管在每个供电半弦波的开和关, 从而来控制流过晶闸管的电流。当启动点越接近供电弦波的末端时, 所容许通过的电流较少, 当启动点越接近供电弦波的起始端时, 所容许通过的电流就越大。根据这个原理, 将两个晶闸管以反平行的方式连接, 由设计好的单片机控制系统来控制晶闸管的导通和截止, 保证供给电机当时所需的最适用电压, 电机在预设的时间内平滑加速到最高转速, 从而实现电机的软启动, 这样既可以节约电能, 又保证电机免受大电流的冲击。
4. 结束语
利用晶闸管为主要功率元件设计抽油机节电控制装置, 通过监测电机对有功功率的实际需求, 利用现代控制技术对输送给电机的电压、电流的相位角在线调整, 从而提高功率因数, 大幅度降低电机的有功损耗的同时提高电网利用率。利用这种节电控制技术, 可以实现电机的软启动和对电机进行各种保护。
摘要：通过研究抽油机的工作原理及主要功能, 并结合油田的生产实践, 探讨了利用晶闸管为主要功率元件的节电控制装置的实现, 通过监测电机对有功功率的实际需求, 对输送给电机的电压、电流的相位角在线调整, 并达到了降低功耗、节约电能的目的。
关键词：抽油机,节电控制,晶闸管
参考文献
[1]百丽克孜·尤努斯.抽油机节能控制系统的设计[J].机械与电子.2009.7
[2]吴杰.STC单片机抽油机节能控制系统的研制[J].计算机测量与控制.2007.15
数字化抽油机的质量控制 篇8
某油田所使用的数字化抽油机具有远程控制和高效节能特点, 满足了绿色开采需要 (图1) 。数字化抽油机除了机械部件可能出现故障外, 其电子元件也可能出现问题。本文针对数字化抽油机在油田现场使用中存在的常见故障进行分析归类, 找出导致抽油机质量问题的主要因素, 提出抽油机质量控制方法, 以提高数字化抽油机整机质量水平。
一、数字化抽油机质量问题分析
通过对该油田各采油厂和超渗油藏项目部的数字化抽油机现场质量情况进行跟踪调查, 收集到近3年在验收、使用中出现的各种质量问题, 统计出常见的41个质量问题, 将其归纳并分为五大类:外协外购件质量、标准件质量、设计、制造质量及其他问题。详见表1。
采用帕累托图分析法对数字化抽油机的质量问题进行分析, 以找出主要问题, 确定质量改进的关键因素。
二、数字化抽油机质量控制
数字化抽油机质量贯穿于设计、制造、安装、使用、维护等过程, 因此需对这个五大过程进行有效控制来提高数字化抽油机质量。
1. 设计质量控制
(1) 为提高设计质量, 应先确定设计原则, 将可靠性和安全性放在首位。
(2) 为了节约成本, 在设计时应考虑易加工性和易操作维护两方面, 并且保证用料的经济性。
2. 制造质量控制
数字化抽油机制造质量应作为整机质量控制的重点。
(1) 数字化抽油机生产工厂必须具有相应的生产资质, 并且具有完善的质量管理体系。
(2) 外协外购件供货商必须具有一定的资质, 并且属于业主指定的范围。外协外购件应严格按照标准规范和技术要求进行生产检验, 在进入数字化抽油机生产厂后, 要再次进行入厂检验, 以保证产品质量。
(3) 数字化抽油机生产工厂要严格依据标准规范、设计图纸及订货技术要求等进行生产和检验, 不合格的按照不合格品处理程序进行及时隔离和处理, 防止不合格品被安装使用。
(4) 数字化抽油机整机性能试验应严格按照安装标准要求进行, 检验人员要经过培训持证上岗。保证出厂产品合格。
3. 安装使用及维护质量控制
在安装过程中施工人员要严格按照安装程序进行, 对不合格产品及部件及时剔除。安装完后调试工作应由专业人员进行。由于油田现场工况恶劣, 数字化抽油机应严格按照保养手册定期检查和保养, 保持其以良好状态运行, 保证油田生产。
4. 全面引入第三方监理
为提高数字化抽油机质量, 应在其设计、制造、安装与调试全程引入第三方监理。设计阶段, 第三方监理对设计单位进行跟踪监督, 对不符合业主要求和相关标准规范的设计及时反映, 以提高设计质量。制造阶段, 第三方监理对原材料和外协外购件入厂、理化试验、零部件加工、组装、整机试验、检验、发货等进行全程监督和见证, 监督处理在生产中出现的不合格情况, 防止出现批量不符合订货要求的情况;对生产中出现的技术异议及时与工厂和业主做沟通, 避免影响供货期;控制成品发货, 防止不合格品发运而影响现场使用。安装和调试过程中, 专业监理公司派人全程监督, 发现有违规现象及时纠正, 避免产生故障隐患。
5. 现场应用
2013年, 该油田对其采购的数字化抽油机进行了设计优化, 在未大幅增加成本的情况下, 整机各部位强度均有所提升, 提高了整机现场使用的可靠性。通过考察评估11家抽油机供应厂的资质、生产水平、质量控制水平等, 综合评比后选择了6家评分靠前的厂家进行供货。在抽油机制造和安装调试中引入第三方监理, 全程跟踪监督, 质量问题被解决在厂内, 避免将隐患带到现场使用中。2013年该油田采购的数字化抽油机在现场使用过程中均未发生批量的、严重性的质量问题, 数字化抽油机整体质量水平较2012年有了大幅提高。
参考文献
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[3]姚晓平, 刘峰林, 季祥云等.抽油机减速器齿轮的失效分析[J].石油矿场机械, 2007, 36 (7) :96-97.
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油田抽油机节能控制系统的应用 篇9
1 抽油机节能控制系统
为了使电动机既处于高速平稳的工作状态, 又能达到降低电能损耗的目标, 应该掌握以下几点:
1) 抽油机属于任何降压启动方式都无法替代的重载启动, 在反复试验后得出结论:只有三角形全压启动才是唯一的解决办法。
2) 抽油机在正常运行时的平均输出功率只有电动机额定功率的1/3左右, 输出转矩仅为额定转矩的30%左右。
3) 抽油机遇突发事件而导致负载波动较大时, 转换器应快速地将电动机改为Δ接法运行。
抽油机节能控制装置采用单片机控制继电接触器切换Δ-Y控制装置对电动机正常工作时的电流与电压进行监测。电动机荷载较小时, 单片机控制接触器将电动机切换为Y运行模式, 这样电动机自身损耗大大降低;反之, 如果电动机荷载较大, 单片机将切换为Δ运行模式。为了确保节能控制装置稳定运行, 该装置还具有短路、缺相、过载等保护功能。
2 节能控制系统的结构设计
2.1 硬件设计
抽油机节能控制装置包括:中央控制器、继电器接触调压电路、负载检测装置、有功功率电度表等。主要通过以下流程进行运转:检测装置 (信号采集) →微处理机 (计算平均有功功率及接收和发出指令) →交流机电基础器 (Y/Δ) →异步电动机 (图1) 。
装置接通电源30 s后, 报警装置自动启动, 并且提示在场的工作人员不能接近操作现场, 紧接着检测装置开始对异步电动机的负载电流和电压进行采样, 并将数据传输给单片机, 软件通过系统处理显示抽油机的平均有功功率, 与此同时将此数据与临界值进行比较从而做出判断进行切换, 借助继电接触器控制输出电路对电动机进行调压。
2.2 软件设计
系统主要运用模块化设计, 将辅程序划分为多个小模块, 与主程序紧密结合起来。这种系统初始化的辅程序的主要功能是设置运行的基本参数, 对于设置不完整或需要修改的, 不仅可以通过主模块修改设置, 也可以通过其他模块登陆修改。单片机传输来的平均功率和Y-Δ功率临界值进行比较, 继电接触器根据计算结果对电动机进行Y-Δ转换, 从而达到降压的目的。
3 节能控制系统的主要功能
抽油机节能控制系统通过远程控制, 降低电能损耗, 在单片机检测的同时操作电动机接线端子, 调整电动机的工作路径, 完成抽油机在不同电压下设备的正常运行。控制系统具有三种工作模式, 即手控、时控、自控。除此之外还需要把电动机控制、信号检测和嵌入式控制等技术进行综合的运用。
1) 自控是由电脑远程操作确保电动机在良好的工作状态下工作。
2) 手控是在自控模式出现问题时, 利用人工进行控制的一种方式。
3) 时控适应于抽油机间抽工作状态。近年来由于间抽井、低液井、稠油井的出现, 尤其是高见聚井产出液黏稠度的增加, 原油液面恢复需要间抽控制。
4 现场应用
表1是某井安装节能控制系统后所得出的数据, 为了确保抽油机在相同的运行条件下, 采用控制变量法, 该井配备的抽油机驱动电动机额定功率为30 k W。
从检测数据可知, 抽油机节能控制装置可以降低电能损耗20%左右。节能控制柜能够平稳运转, 实现了通过调整电压来降低电能损耗的的目标。装置对电网污染较少, 故障发生率较低, 安全可靠, 并且完成了过电流、过电压、欠电压和过载保护、手动与自动转换的功能操作[2]。
5 结束语
抽油机节能控制系统采用软件和硬件结合, 可以确保抽油机驱动电动机运行在低损耗状态, 不仅能够降低电能的损耗, 而且增加了原油的开采量, 提高了效率。抽油机的一个运行循环系统中, 控制装置不会影响它的采油效果, 即工作冲速不发生改变, 有效地减少和防止电动机在承受过大的负载时遭受损害。抽油机节能控制装置不仅可以依据每台机器荷载功率的不同做出选择最大效益的方案, 而且大大地减少了设备的投资成本, 节约资源。
摘要：抽油机节能控制系统通过远程控制降低电能损耗, 在单片机检测的同时, 操作电动机接线端子, 调整电动机的工作路径, 保证抽油机在不同电压下设备的正常运行。抽油机节能控制系统通过软件和硬件结合的设计方式, 确保抽油机驱动电动机在低损耗状态下运行, 使抽油机在不同的电压情况下出油量达到最佳的状态, 从而实现高效率、低消耗的生产目标。
关键词：抽油机,远程控制,输出功率,节能
参考文献
[1]郑钢锐, 梁士军.节能型抽油机控制箱的现状和发展[J].应用能源技术, 2000, 17 (3) :5-7.
游梁式抽油机变频控制研究与仿真 篇10
1 工作原理和系统设计
1.1 工作原理
游梁式抽油机的智能控制系统由转差频率给定和充满度反馈环两部分组成。充满度的选择可以根据具体的油井选定(一般是在75%～85%),给定的转速信号与反馈的速度之差得到转差率信号ωs,定子输入频率信号f1随着反馈速度信号的变化而变化。给定的恒充满度信号与反馈的充满度信号作比较,根据比较结果来调节电压。反馈的充满度信号=反馈的有功功率/该冲程下的满负荷功率,该冲程下的满负荷功率存储在内存单元中,与冲程次数一一对应,而冲程次数是通过平均速度得到的。若反锁的充满度信号大于给定的恒充满度信号,则提高电压,即提高电机的输出功率,也就是提高抽油机的冲程次数;若反馈的充满度信号等于给定的恒充满度信号,则保持电压不变,即保持电动机的输出功率不变,也就是保持抽油机的冲程次数不变;若反馈的充满度信号小于给定的恒充满度信号,则降低电压,即降低电动机的输出功率,也就是减少抽油机的冲程次数;当电机的有功功率低于空载的阀值功率值时,可判断油已抽空,电动机停止运行。如此循环,实现游梁式抽油机的智能控制[1]。
1.2 系统设计
随着电力、电子技术和大规模集成电路的发展,基于集成SPWM电路构成的变频调速系统以其结构简单、运行可靠、节能效果显著以及性价比高等优点得到广泛应用。本系统主要以大规模集成电路HEF4752产生SPWM,A/D采集电流、电压信号,单片机计算出冲程的平均功率,再与给定的冲程阀值功率进行比较,决定给集成电路HEF4752提供时钟信号[2],时钟信号FCT决定电机输出频率,VCT决定电机输出的电压,OCT决定逆变器每对输出信号的互锁推迟间隔时间,RCT决定逆变器的最大时钟,通常把OCT和RCT连在一起。根据负载的变化,就可以输出变化的SPWM波形,该波形经过光电隔离放大,去驱动三相逆变器,使之输出正弦波形,从而实现异步电动机变频调速,其结构框图如图1所示。当出现过流、欠压、短路或过热等故障时,故障信号变为低电平,封锁HEF4752所有的脉宽调制驱动输出,起到保护变频器的作用。在无故障的情况下,L为高电平,解除封锁。
80C51系列单片机的时钟最大能取24MHz,单指令为0.5μs,计数频率为2MHz。当输出为2 999、3 000Hz时,若采用80C51CPU内部计数器来计数,根本无法区别。而在本设计中,由于8254-2最高计数频率可达为10MHz,能满足以上设计的要求,因此采用外部定时器/计数器8254-2。
2 抽油机的仿真
根据上面介绍的理论,笔者用MATLAB的SIMULINK软件对游梁式抽油机电机调速系统进行仿真。这里以Y255M-6电机为例,其额定功率为20kW、相数m=3、U=380V。
抽油机负载的情况复杂,考虑到曲柄所能承受的旋转转矩,悬点负荷及其波动和平衡转矩等影响,取电动机轴上形成的总负载转矩为油井负荷扭矩与平衡扭矩之和,用两组周期性负载来模拟电机负载(图2),其周期为5s,即1min内冲程数为12。图3、4分别为抽油机的转速波形和抽油机输出的转矩波形。
从图形中可以看出:异步电机启动时,从零速到微速的过程中,转矩的幅值较大;在加速过程中,转矩脉动幅值减小,转矩迅速增加,但其幅值高于负载转矩;转速缓慢增加可抑制电机的启动电流,实现电机软启动;系统在1s后系统达到稳定状态,当电压一定时,转矩和转速的乘积几乎不变,抽油机近似于恒功率运行;当负载增加时,转速也增加,抽油机的冲程数也发生改变,实现系统智能控制的目的,从而达到节能的目的。
从图5中可以看出,电动机在第一种负荷的情况下,功率因数几乎能达到0.8左右,随着负荷的减小,电动机的输出电压和频率发生改变,使电压减小,因此电动机输出的有功功率也随着减小,电动机的功率因数也随着减小;从另一方面来说,负荷减小时电压也减小,这样能有效地抑制发电现象。
3 结束语
应用转差率控制的变频调速,根据油井的实际供液能力,动态调整其抽取速度。信号电路的设计采用了专门产生三相SPWM信号的数字型大规模集成电路——HEF4752。SPWM逆变电路可调频(也可调压),因而动态响应快,实现了真正的软启动,对电动机、变速箱、抽油机都避免了过大的机械冲击,延长了设备的使用寿命、减少了停产时间、提高了生产效率、增加了原油产量,达到节能目的;另一方面,提高了电机的功率因数,可以很好地抑制倒发电状态,保证设备的安全运行。
摘要：对游梁式抽油机的工作原理和系统设计进行了研究。根据异步电机的负载变化,改变抽油机的冲程次数,从而达到智能控制的目的。主要运用集成电路HEF4752作为主控制芯片,它产生的三相SPWM信号经隔离放大后驱动三相逆变器,使之输出正弦电压波形,实现抽油机的电动机变频调速。并通过MATLAB/SIMULINK进行仿真,取得了满意的效果。
关键词：游梁式抽油机,变频技术,SPWM,仿真
参考文献
[1]赵来军,刘刚,倪振文,等.智能化抽油系统[J].西安石油学院学报(自然科学版),2001,16(1):51～55.
抽油机控制器 篇11
关键词：抽油机 安全 维修 问题
中图分类号：TE933.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（c）-0047-01
1 在进行抽油机安装时需要注意的一些事项
抽油机本身属于重型机械设备。在油田中，最常见的抽油机类型便是游梁式抽油机。其组成部分主要包括动力设备、减速箱以及辅助装备等等。在进行抽油机安装的时候是比较复杂的，不但需要进行活动基础、曲柄平衡块方面的安装，还需要进行附加和支架的安装。其安装质量将会对其运行安全造成严重的影响，所以必须重视抽油机安装工作。
（1）进行活动基础安装。
在进行活动基础安装的时候，其安装重点主要包含底座安装、垫铁组安装等，其中非常重要的一个环节是选择中心区域。在确定中心位置之后，应该在平面上进行两条中心线的弹出，其中一条纵向延伸，另一条则应该指向支架中心。在进行抽油机底座安装的时候，对高度的要求比较严格，在安装的时候应该将其垫高20～30mm。进行垫铁组安装的时候，对其数量、相邻间距以及高度都有一定的要求，不同组垫铁组间距应该在500mm以下，在地脚螺栓的地方最少应该进行一组整齐垫铁组的摆放，在摆放的时候垫铁组之间不应该存在缝隙，一组垫铁组的数量应该在三块以下，高度则应该小于50mm[1]。
（2）进行支架的安装
在进行抽油机上下连接的时候，支架是非常重要的结构，进行支架安装是比较简单的，主要包含主体安装和附件安装。进行支架安装的时候需要底座给其提供一定的支持，首先应该将支架吊到底座的上面，并用螺栓将其连接在一起。若是支架顶平面出现倾斜的时候，应该对其上访悬挂的铅锤进行调整，直到其恢复为止，与此同时还应该对铅锤的指向进行检查，保证其和底座中心是对应的。应保证支架顶板轴承座水平误差，支架中心投影与底座中心线的偏移量不超过规定标准。
（3）安装减速器。
在进行减速器安装的时候，相关人员必须找到减速器以及底座上的标志，确保减速器中被动轴不能够倾斜，否则很容易给安装效果造成严重影响，所以必须水平放置被动轴，保证其是真正平稳的。然后再用螺栓连接减速器以及底座重合的中心线[2]。
（4）安装电动机。
对于抽油机而言，电动机是其动力来源。电动机的安装对于抽油机是非常重要的，必须保证其是真正稳定的。在电机胶带轮选好之后可以进行松紧带松紧度的调节，在调节的时候应该根据其运行速度进行，避免电动机出现掉链子的情况。胶带轮包含大轮和小轮两种，应该保证端面在同一个平面上，并且减速器皮带轮轴和电机轴必须是平行的[3]。
（5）安装游梁。
在安装游梁的时候，应该保证其连接点能够真正的满足稳固要求，于此同时应该保证连接杆位置重合的时候是真正准确的，在安装的时候可以将连接杆、驴头横梁以及游梁连接在一起并形成组合件，然后将这个组合件吊装在支架上面，随后把中央轴承以及游梁连接在一起，保证井口和悬绳器中心位置是真正对应的。
（6）安装附件。
在抽油机中进行附件安装的时候主要包含了转动部件安全防护装置安装、刹车装置安装、悬绳器安装以及抽油机主体的调整。在抽油机运作的时候，曲柄的位置是会出现一些变化的，所以必须重视刹车位置的安装，不但要保证装置操作的时候能够灵活，还应该保证其实用价值[4]。
2 进行抽油机维修的时候需要注意的一些问题
（1）偏磨故障的主要解决办法。
在抽油机中出现篇末现象是比较普遍的，必须针对情况的不同来选择不同的方式进行问题的解决。在抽油机泵上，其偏磨主要包含了两种，一种是单面偏磨，另一种则是双面偏磨。单面偏磨和双面偏磨的磨损程度以及偏磨面积都存在一定的差异，双面偏磨面积比较小，但是受损程度比较的严重，单面偏磨则是面积比较大，但是受损程度比较轻。在进行问题解决时，主要有下面几种办法：首先可以使用旋转技术进行问题的解决，这种办法主要是利用旋转轴油杆来减轻磨损；其次是使用抽油杆防偏磨器来进行偏磨问题的解决，这种工具是由金属制作而成的，承受的负荷比较大，在实际应用中应用非常广泛；最后则是进行抗弯防磨副的安装来进行防偏磨，抽油杆在运动的时候，滑套能够转移到合适位置，若是油管摩擦和抽油杆的抹茶是摩擦杆和滑套的摩擦，那么在摩擦杆和滑套之间可以进行摩擦副的安装，进行摩擦主体的改变，增加耐磨性[5]。
（2）减速箱存在问题和解决的办法。
在抽油机减速箱中，经常会存在渗漏问题，出现渗漏的原因和问题解决的办法有下面几种，首先是箱体以及轴承端盖比较的松，从而导致减速箱出现泄漏，出现这种情况的时候会用到石棉垫，修正好石棉垫的毛边之后，还应该清洁端盖和轴承箱体接触的部分，在清洁的过程中必须注意油孔，保证其是对齐的；其次，减速箱箱体之间松紧度调整不够到位也会导致润滑油泄漏。面对这种情况可以进行对称紧固，做好日常的保养和维修；最后，密封失效也会导致泄漏的出现，解决的办法是进行密封装置的更换或者是进行回油孔的疏通[6]。
（3）曲柄销故障以及解决的办法。
在运动的时候曲柄销会受到连杆拉力和曲柄锥套连接力的作用，所以非常容易出现受损的情况。根据统计我们也能够发现在大型事故中，曲柄销断裂的比例是比较高的，想要对其进行控制，必须从下面几点入手：首先在进行曲柄销安装的时候应该进行螺纹旋向的检查，降低意外错误发生的概率；其次应该增大曲柄销和锥套的实际接触面积，应大于70%；然后紧固好冕型螺母，并在抽油机运行后定期检查冕型螺母并紧固；最后在进行曲柄销和锥套选择的时候应该保证质量，并做好维护和保养方面的工作。
3 结语
在油田作业中，抽油机是非常重要的。做好抽油机安装和维修会给油田工作正常进行造成重要的影响，所以，工作人员在安装的时候必须根据规定进行，平时还应该做好保养方面的工作，保证其使用寿命。
参考文献
[1]刘福军.关于抽油机安装、维修存在问题的探讨[J].中国石油和化工标准与质量，2013（20）：226.
[2]何永军.抽油机安装、维修存在问题的探讨[J].中国石油和化工标准与质量，2012（S1）：190.
抽油机控制器 篇12
节电控制系统 (见图1所示) 的主回路采用三对反并联晶闸管做为调功器, 这样可以动态跟踪电机的功率因数或输入的电功率, 从而达到最佳节电效果, 在负载突然增加时也可得到及时的响应, 避免电机堵转。该系统还采用AVR单片机, 实现完善的保护功能, 并且能够根据电机负载变化的情况, 自动检测油井下的工作状况, 并根据油井下的工作状况, 作出分析与判断, 使油井始终工作在最佳的工作状态, 降低了不必要的能量损耗, 达到了节电的目的。
2. 抽油机能耗、效率分析
根据异步电动机工作特性曲线 (如图2所示) 及效率公式可知:G=P2/P1=1-EP/P1 (1)
式中:EP为电动机总损耗EP=Pcu1+Pcu2+Pfe+Pmec+Pad;P2为输出机械能;Pfe为铁耗Pmec为机械损耗;Pcu1、Pcu2为铜耗。
可见, 当电动机负荷较大时 (大于50%) , 电动机的效率和功率因数较高。而电动机在轻载和空载时, P2很小或为零, 在电压和频率不变的情况下, 由于磁通和转速变化引起的机械损耗很小, 而定子、转子铜耗分别与定子、转子电压平方成正比, 此时电动机电压并未变化, 因此, 此时电动机的效率和功率因数都很低。其主要原因是当轻载和空载时电机定转子的损耗占了总电能的主要部分。这就是造成电能浪费的主要原因。如果电机工作在轻载和空载时, 在保证电动机正常运行的前提下适当降低电压, 这就可以节约很多电能。尤其是在抽油机等大量时间运行于空载或轻载情况下节能就更为明显。
3. 综合节电效率计算
三相电参数采集模块采用高精度多功能三相电能专用计量芯片ATT7022A为核心, 以AVR单片机为控制芯片, 对外用标准RS-232串口通讯, 可以与主控板配合使用, 又可以用在其他设备上, 作为具有独立功能的模块使用。ATT7022A能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角频率等参数。ATT7022A片内集成了6路16位的ADC, 采用双端差分信号输入。电压通道Un经电压互感器变换为015V左右而电流通道Ib时的ADC输入是由电流互感器并联适当的电阻变换为011V左右。电流电压采样数据中包含高达21次的谐波信息。所以依据有功功率公式:
真无功功率公式:
计算得到的有功功率和无功功率也至少包含21次谐波信息。ATT7022A提供一个SPI接口, 方便与外部MCU之间进行计量及校表参数的传递。
对节电率的测试验收, 采用直接在用电设备上安装三相有功电度表, 比较在负荷相近的情况下、相同的运行时间内, 市电 (不安装节电装置) 与节电 (安装节电装置) 两种运行方式下的实际用电量, 按照以下公式计算节电率。
式 (4) 中, W市电为等时市电运行的用电度数;W节电为等时节电运行的用电度数。电机降压节能, 主要节省的是无功功率, 提高了功率因数, 而有功节电主要节省的是电机自身损耗的一部分, 且随着负载率的上升而锐减:负载系数β=0.1时, 有功节电效率可达15%;β=0.2时减到为5.3%;β=0.3时节点率锐减到2.1%。按照我国国标GB124971995的相关规定, 综合节电率计算应该考虑无功经济当量。
测试可以使用普通的三相多功能测试仪进行测试, 在负荷相近、相同的运行时间内, 测量市电与节电两种运行方式下的有功功率和无功功率等参数, 要保证这二者之间的测试间隔在1小时的时间, 其综合节电率如下。
式 (5) 中, T为设备工作时间 (h) ;ΔP为安装节电控制装置前后的有功功率差值;ΔQ为安装节电控制装置前后的无功功率差值;P为未安装节电控制装置前的有功功率;Q为未安装节电控制控制前的无功功率;KQ为无功当量, 一般取值为0.08～0.1。
摘要：本文介绍一种以晶闸管为主要功率元件的抽油机节电控制装置, 并对该系统中的抽油机的能耗、效率及综合节电效率等技术指标进行分析, 通过分析证明该系统工作稳定, 节电效果比较好。
关键词：抽油机,节电控制,技术指标
参考文献
[1]贺益康.电力电子技术基础[M].杭州:浙江大学出版社, 1995.