抽油機專用高效節(jié)能電機

郭代春， 楊建云， 賀勝強， 李躍珂

(河南豫通電機股份公司，河南新鄉(xiāng) 453731)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)油田現(xiàn)擁有10萬多口井，在用抽油機電機保有量達10萬臺以上，裝機總?cè)萘坑?50萬kW，每年耗電量達百億kwh。抽油機的運行效率特別低，在我國平均效率為25.96%，而國外平均水平為30.05%，年節(jié)能潛力可達幾十億kwh。除了抽油機外，油田還有大量的水泵、輸油泵和潛水泵等設(shè)備，總耗電量超過油田總用電量的80%。由此可見，石油行業(yè)是推廣電機節(jié)能的重點行業(yè)。

游梁式抽油機是我國石油開采中采用最普遍的機械裝置，其拖動電機的負載特點是要求有很大的起動轉(zhuǎn)矩，而在運行時，其負載轉(zhuǎn)矩并不大。為適應(yīng)這樣的負載，選配電機時，一般要求起動轉(zhuǎn)矩為實際負載轉(zhuǎn)矩的3～4倍以上。此外，抽油機電機運行時的負載周期性波動，提升時電機加載，從電網(wǎng)吸收功率;下行時電機則為輕載，甚至可能工作于發(fā)電狀態(tài)，向電網(wǎng)送出電能。這樣，就造就了實際中存在兩個問題:一是“大馬拉小車”，電機負載率低(平均負載功率僅約20%，個別甚至不足10%)，功率因數(shù)低(有的不足0.2);二是電網(wǎng)波動較大，引起損耗增大，電網(wǎng)運行質(zhì)量差。這些問題的存在，不僅增加了原油成本，極大地浪費了電力資源，也嚴重影響著電網(wǎng)運行安全。

抽油機電機的過低負載率，使得油田抽油機系統(tǒng)運行效率低下，造成電能嚴重浪費。為解決該問題，國內(nèi)外曾提出很多技術(shù)方案，例如:高轉(zhuǎn)差電機、永磁電機、雙定子電機、變極電機，也有采用晶閘管調(diào)降壓運行、變頻電源、無功補償裝置等。但這些技術(shù)方案或性能改進不大，或成本高，或控制轉(zhuǎn)換復雜、可靠性差，并不能真正滿足我國油田的需要，實際上也很難推廣使用。因此，新鄉(xiāng)市電機系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究中心(河南豫通電機股份公司研究中心)，成功研制出了YCS抽油機專用三功率高效節(jié)能電機。

以 YCS280M-8-45 kW，380 V 50 Hz為例(Y——異步電機;C——抽油機用;S——三功率;280——機座號;M——鐵心長度代號;8——極數(shù))進行分析。

1 基本工作原理

根據(jù)游梁式抽油機野外作業(yè)的生產(chǎn)方式分析，將油量的液面分為上層、中層、底層或更低層幾種，對同一臺電機的功率匹配分為PN、0.75PN、0.6PN或0.5PN的三檔或四檔。一般情況下，根據(jù)實際使用要求選擇高、中、低三檔。通過三相異步電機額定功率對應(yīng)的每一相總繞組的線匝數(shù)，分配出三檔繞組線匝數(shù)的抽頭比，分別形成PN為“△”、0.75PN為小“Y”大“△”，以及0.5PN為大“Y”小“△”的混合繞組接線方法(見圖1)，達到滿足三檔功率的要求且三檔功率情況下，電機的基本性能比較相近，以滿足抽油機系統(tǒng)使用方便、操作簡易、節(jié)約能源的要求。

圖1 接線圖

2 電機的設(shè)計原理

新鄉(xiāng)市電機系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究中心(河南豫通電機股份公司研究中心)利用最新的交流電機繞組理論，采用諧波、復合繞組新技術(shù)和變功率新技術(shù)相結(jié)合的路線，采用新的“去匝”技術(shù)，提出并設(shè)計了全新的抽油機驅(qū)動用三功率電機。三功率電機，顧名思義就是一臺電機同時具有三種功率，按實際運行需要，選擇不同的功率。該新型電機的核心技術(shù)在于定子繞組的設(shè)計。定子繞組仍設(shè)計為單繞組結(jié)構(gòu)，但一套繞組可實現(xiàn)三種功率，其中一種功率(高功率)專用于抽油機的起動，具有較高的起動轉(zhuǎn)矩，可有效解決起動所需要的“大馬”問題;另兩種功率(中功率、低功率)則專用于抽油機的正常運行。

2.1 電磁設(shè)計

諧波、復合繞組(見圖2)能很好地抑制和削弱電機的高次諧波，提高繞組的利用系數(shù)，改善了電磁性能?？s短線圈端部的長度，不僅有效解決電機裝配的問題，還使定子端部電抗減少，發(fā)熱量減小，缺點是功率因數(shù)降低，下線困難。采用DW470－50低耗冷軋硅鋼片，降低了鐵耗，同時定子繞組采用Y-Δ接法。但定轉(zhuǎn)子的槽配合、定轉(zhuǎn)子槽型尺寸均與Y系列電機的一樣。

圖2 8P－45 kW接線原理圖

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

YCS280M－8電機在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為了便于系列化和降低成本，力求做到與普通Y系列電機的基本參數(shù)、技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標志和包裝等一致，在保持一致的前提下，只改動一部分零件的參數(shù)、尺寸，卻使電機性能有很大改進。

機座、端蓋、軸承內(nèi)外蓋、定轉(zhuǎn)子沖片、接線盒、風罩等均與Y系列電機通用，提高了生產(chǎn)組織的標準化水平和綜合經(jīng)濟技術(shù)指標，轉(zhuǎn)軸采用后磨軸工藝，與抽油機油桿配套所用的皮帶輪帶有1∶10的錐度，在設(shè)計軸時應(yīng)設(shè)計為錐形軸伸。

電機具有四組出線(見圖3所示引線接頭接法)，十二個接線端子。為保證接線方便和安全，對原Y280接線盒結(jié)構(gòu)進行了改進設(shè)計，一是加大了空腔尺寸，保證接線螺栓與接線盒、蓋的電氣間隙和爬電距離;二是依據(jù)進線電纜的截面積，在原盒座出線孔的基礎(chǔ)上由一個出線孔增加為四個電纜出口;三是去掉連接片，接線板改為十二柱接線板，材料為塑料4342(JB/T7770)。

圖3 引線接頭接法

為了降低電機的噪聲及振動，考慮到電機的起動時間短，運行的負載小，軸伸端的軸承由Y系列的單列圓柱滾子軸承改為單列球軸承;為了減小風扇的風磨損耗和重量，以及空氣動力引起的噪聲，設(shè)計時采用小直徑的塑料風扇。

YCS280M－8電機采用普通臥式安裝方式，且安裝尺寸與普通Y系列電機一樣，防護等級IP54，絕緣等級F級，溫升按B級考核，電磁線、絕緣等的材料均按優(yōu)質(zhì)材料設(shè)計和制造。

3 試驗結(jié)果

樣機試驗結(jié)果如表1所示。

表1 樣機試驗結(jié)果

4 節(jié)能計算

每臺抽油機按照三功率檔電機與單速一種額定功率的電機按照每天24 h、每年200 d、負載持續(xù)率 90%工作，在效率 92.57%、功率因數(shù)0.826 9的條件下，計算年耗電量，并比較年節(jié)約電能情況。

(1)單種額定功率45 kW:45×24×200×90% ×92.57% ×0.826 9=148 805.68 kWh。

(2)三功率檔按照PN為8 h工作、0.75PN為8 h工作、0.5PN為8 h工作時間計入:45×8×200×90% ×92.57% ×0.826 9+33.75 ×8 ×200×90% ×93.09% ×0.789+22.5×8×200×90% ×92.81% ×0.695 9=106 223.64 kWh。

同一臺抽油機采用三功率檔電機比普通單功率電機每年可節(jié)約電量達425 82.04 kWh，解決了“大馬拉小車”的耗能現(xiàn)象。

5 結(jié)語

本文介紹的電機是河南豫通電機股份公司應(yīng)大慶油田需求研發(fā)的單速三功率檔節(jié)能型電機，與普通電機相比，起動轉(zhuǎn)矩大，運行效率和功率因數(shù)高，接線控制方便，只需12個引線接頭，成本較低、可靠性好，空載電流顯著下降，因而具有更好的節(jié)能效果，深受用戶青睞。

［1］趙家禮，安順合.實用電工計算手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1995.

［2］湘潭電機廠.交流電機設(shè)計手冊［M］.長沙:湖南人民出版社出版，1978.

［3］陳世坤.電機設(shè)計［M］.北京:機械工業(yè)出版社出版，1982.

［4］許實章.電機繞組理論和設(shè)計［M］.北京:機械工業(yè)出版社出版，2002.