抽油機雙功率電機在安塞油田應用的節(jié)能分析

張 波

中國石油長慶油田分公司 第一采油廠 （陜西 延安 716000）

抽油機雙功率電機在安塞油田應用的節(jié)能分析

張 波

中國石油長慶油田分公司 第一采油廠 （陜西 延安 716000）

在油田企業(yè)，機械采油電力驅(qū)動裝備俱為電機，約占總耗電量的80%。在實際生產(chǎn)中，很多抽油機電機處于輕載、低效、高耗的運行狀態(tài)，電能浪費嚴重。因此,電機節(jié)能降耗是解決油田節(jié)電降耗、降低開采成本的主要方向。通過分析抽油機光桿功率與電機額定功率的理論關(guān)系，結(jié)合2011年安塞油田引進安裝雙功率電機的現(xiàn)場應用效果，闡述其工作原理和技術(shù)指標，并根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測得到電能參數(shù)進行客觀、準確的分析評價。

抽油機 系統(tǒng)效率 雙功率電機 節(jié)能

1 概 況

據(jù)最新相關(guān)資料統(tǒng)計，我國兩大石油公司平均每噸油成本中的電費支出約占20%～30%，其他油田生產(chǎn)成本中的電費支出更高，而電費支出中抽油機占了相當大的比重。因此，對抽油機的機械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)進行節(jié)能改造，可帶來相當可觀的經(jīng)濟效益。

安塞油田現(xiàn)有油井5 296口，開井4 731口。平均單井日產(chǎn)液4.16m3/d,單井日產(chǎn)油1.82t,含水49.0%，平均抽汲參數(shù) Φ32mm×1.81m×4.6min-1×1 221m，抽油機以四型、五型、六型為主，占全廠抽油機97%，其中配備普通Y系列電機約占60%，裝機容量約5 700kW。

2 功率需求分析

抽油機井系統(tǒng)效率是反映油井生產(chǎn)狀態(tài)的綜合性指標，抽油機的電機額定功率選擇合理與否，直接影響抽油機系統(tǒng)效率的高低。在選擇抽油機的電機額定功率時，既要考慮抽油機啟動扭矩的要求，同時也要考慮抽油機波動負荷性的要求。

2.1 啟動功率需求

油田抽油機負載是獨具特點的時變負載：有動、靜負載特性之分。啟動狀態(tài)要求拖動電機的啟動力矩是抽油機實際負載的4～5倍，甚至更大，在一個工作周期內(nèi)凈轉(zhuǎn)矩是一個隨時間變化的交變負載，載荷波動非常巨大，有時會有負值載荷。因此，啟動力矩是抽油機選電機的第一要素，為了滿足峰值載荷的需求，必須配選較大功率的普通異步電機，在運行時有足夠的過載能力，以克服交變載荷的最大轉(zhuǎn)矩。

2.2 額定功率需求

通過應用地面效率回歸方程來實現(xiàn)抽油機合理額定功率需求的分析。

2.2.1 建立地面效率的回歸方程

抽抽油機的地面效率可由下式計算:

式中 η地—地面效率，%;

η電—電動機運行效率，%;

η機—抽油機的機械傳動效率，%。

為便于研究，引入電動機的負載率及電動機名義負載率2個概念:

式中 β—電機名義負載率；

β1—電機負載率；

Nr—電機額定功率；

N光—光桿功率；

N—電機輸出功率。

機械傳動效率瓶在曲柄一轉(zhuǎn)中的平均值幾乎是常數(shù)，而與抽油機載荷大小無關(guān)。另外，電機運行效率η電主要取決于電動機的負載率β1，亦即取決于電動機的名義負載率 β(β=β1·η機)由上述分析可知，抽油機地面效率主要取決于電動機的名義負載率。根據(jù)大量測試的數(shù)據(jù)得到地面效率的回歸方程為:

式中 a，b—回歸系數(shù)，a=1.233 3，b=0.053 33。

2.2.2 確定光桿功率與選用電機的關(guān)系

抽油機運行時，如果電機額定功率滿足上述關(guān)系，則實際抽油機井的地面效率基本在58%以上，因此，抽油機的地面效率合理的電動機額定功率應當在2個臨界點區(qū)間內(nèi)選擇。那么采用雙功率電機在實際生產(chǎn)中就可以比較好的滿足啟動需求大功率和實際運行小功率的關(guān)系。

3 現(xiàn)場監(jiān)測分析

3.1 單井應用情況

H131-11井為例，原先使用普通Y180L-6電機，額定功率15kW，2011年9月份更換了型號為YTZ180L-8雙功率電機，額定功率7kW和11kW。

3.1.1 設備的工作原理

（1）該雙功率電機包括三相定子繞組、交流接觸器。三相定子繞組A、B、C的每一相為兩個分繞組a1與a2、b1與b2、c1與 c2串聯(lián)， 其連接點有中間抽頭U3、V3、W3，三相中每相繞組的三端引出線與兩個交流接觸器KM1和KM2的3個觸點連接，在該電動機的電源線中連接一個負載監(jiān)測器，其控制觸點與線圈串聯(lián)。從而實現(xiàn)利用負載檢測器實時監(jiān)測負載功率（見圖 1）。

（2）該雙功率電機配套有節(jié)能控制系統(tǒng)，檢測到電機實際負載計算后反饋給執(zhí)行操作的接觸器。當抽油機啟動后，電機負載變化，通過電流傳感器實時將電機負載電流變化有關(guān)數(shù)據(jù)送到控制器，與設定的參數(shù)比對做出功率換檔。

3.1.2 設備指標使用情況

安塞油田現(xiàn)場使用雙功率電機的指標見表1。

3.1.3 測試數(shù)據(jù)詳細分析

H131-11井原先使用Y180L-6電機，額定功率15kW，2011年8月測試了該井的系統(tǒng)效率等數(shù)據(jù)，9月更換了YTZ180L-8雙功率電機，將現(xiàn)場的測試數(shù)據(jù)對比見表2。

分析：從表2的數(shù)據(jù)可以看出，地面效率由18.9%上升到58.6%，系統(tǒng)效率由12.3%上升到23.5%。該井現(xiàn)在的光桿功率為2.51kW，依據(jù)Nr=(2.8～5.0)N光，得到Nr=7.03～12.55kW，故理論說明了實際生產(chǎn)中采用額定功率在7～11kW的電機就可以實現(xiàn)地面效率提高的目標，同時也解釋說明了在該井原先光桿功率1.07kW情況下，用原先電機出現(xiàn)地面效率很小的原因。

3.1.4 節(jié)能評價方法

（1）有功節(jié)電率的評價：雙功率電機的有功功率與Y系列電機的有功功率進行節(jié)點對比，然后求比值。計算方法如下：

其中 SP—有功節(jié)電率，%

P1—Y系列電機的輸入功率，kW；

P2—雙功率電機的輸入功率，kW。

（2）無功節(jié)電率的評價：雙功率電機的無功功率與Y系列電機的有功功率進行節(jié)點對比，然后求比值。計算方法如下：

表1 雙功率電機現(xiàn)場指標

表2 監(jiān)測參數(shù)實測對比結(jié)果

其中 SQ—無功節(jié)電率，%；

Q1—Y系列電機的無功功率，Kvar；

Q2—雙功率電機的無功功率，Kvar。

（3）綜合節(jié)電率的評價：根據(jù)三相異步電動機經(jīng)濟運行標準[2]，S為綜合節(jié)電率，%；KQ為無功經(jīng)濟當量，kW/kvar。當電動機直連發(fā)電機母線或直連己進行無功補償?shù)哪妇€時取 0.02～0.04；二次變壓取0.05～0.07；三次變壓取 0.08～0.1。在油田抽油機電機都在三次變壓以后,因此這里取0.09。計算方法如下:

（4）鑒用抽油機效率分析軟件，可以看到該井電參數(shù)測試在一個周期內(nèi)，電機有功功率、無功功率及軸功率的變化情況。

該井使用不同電機在一個周期內(nèi)的電參數(shù)變化,其中,軸功率的平均值分別是3.61kW和4.59kW，由于游梁抽油機運行時扭矩是變化的，而且是在輕載范圍內(nèi)變化。因此，在額定功率情況下進行的節(jié)能對比分析是不全面的。正確的方法是把2種電機對應的不同負載運行點的節(jié)能效果進行對比。因此為了正確計算有功節(jié)電率、無功節(jié)電率和綜合機電率，選取在軸功率相同情況下，用輸入功率與輸出功率的不同值進行計算。

目前，安塞油田對配裝普通異步電機的低效井更換安裝雙功率電機的工作正在試點推廣中，已經(jīng)取得了一定的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益。

4 效果評價

以H131-11為例，常規(guī)電機更換安裝為雙功率電機，綜合節(jié)電率達13.7%，按每臺電機更換費用9 061.7元，電價按0.6元計算，日節(jié)約電費14.5元，20.1個月可收回更換費用；如減除損壞電機正常維修費用4 398.6元，則10.4個月可收回更換費用。

目前，安塞油田對配裝普通異步電機的低效井更換安裝雙功率電機的工作正在試點推廣中，已經(jīng)取得了一定的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益。

5 結(jié) 論

通過對安塞油田H131-11井應用雙功率電機的效果分析，對安塞油田推廣應用雙功率電機有以下幾點的結(jié)論：

（1）雙功率電機的安裝使用比較簡單，操作維護費用較少，與普通電機設備相比具有一定的節(jié)能優(yōu)勢。

（2）使用雙功率電機也要在滿足光桿功率與額定功率特定關(guān)系的前提下，才能更好發(fā)揮節(jié)能節(jié)電效果。

（3）使用雙功率電機的節(jié)能監(jiān)測評價需要采用正確合理的評價標準和方法，才能得到準確可靠的結(jié)果。

[

[1]GB/T 15320-2001節(jié)能產(chǎn)品的評價導則[S].

[2]董世民.抽油機井有效功率計算新方法的研究[J].石油機械,2003,31(10).

In oilfield enterprises,electrical drive equipment of mechanized oil production all belong to power motors,accounting for 80%of total electrical power consumption.In practical production,many power motors of pumping units are in the running state of light load,low efficiency and high consumption,with severe waste of electrical energy.Therefore,energy-saving and consumption reduction of electrical motors are the main direction for solving the problem of electricity-saving and consumption reduction and lowering the cost of oil production.Through the analysis of the relationship between the polished rod horsepower of pumping unit and the power rating of motor,combined with the on-site application effect of double power motor introduced and installed by Anse oilfield in 2011,its working principle and technological index are explained,and are analyzed and evaluated objectively and accurately according to the electrical energy parameter obtained from the field monitoring.

oil pumping unit;system efficiency;double power motors;energy-saving

張波（1985-），男，2007年畢業(yè)于西安理工大學，助理工程師，測控技術(shù)與儀器專業(yè)在讀碩士。

??張簫鈴

2012-02-26▏