研制游梁式抽油機多功率電力拖動裝置

中國石化中原油田分公司采油四廠 設(shè)備管理QC小組

（河南 濮陽 457176）

研制游梁式抽油機多功率電力拖動裝置

中國石化中原油田分公司采油四廠 設(shè)備管理QC小組

（河南 濮陽 457176）

1 小組概況

小組概況與小組成員情況（表1、表2）。

2 選擇課題

中國石化中原油田采油四廠共有502口油井，其中499口采用游梁式抽油機抽汲生產(chǎn)，它的電力拖動裝置由電動機和控制箱兩部分組成。此種抽油機運行平穩(wěn)可靠，但與電力拖動裝置匹配性差，電動機裝機功率遠大于實際運行需要。這是因為：一是抽油機起動載荷約為正常運行載荷的3～8倍，為了順利起動，需按最大扭矩選配電機，而正常運行時，電動機的平均轉(zhuǎn)矩總是低于抽油機最大扭矩，電動機功率明顯富余；二是如果按照抽油機正常運行載荷配備電動機，當遇到抽油井輕微砂卡、蠟卡及泵掛加深、抽油機沖次加快等情況時，會造成電動機超載停機，甚至燒毀。因此，通常選擇安裝較大功率的電動機，導致“大馬拉小車”的現(xiàn)象，能耗較高、功率因數(shù)低、效率低。

2010年，中原油田技術(shù)監(jiān)測中心測試了采油四廠6個油藏經(jīng)營管理區(qū)301口游梁式抽油機井的系統(tǒng)效率。SY/T 6374-2008《機械采油系統(tǒng)經(jīng)濟運行規(guī)范》要求電動機功率利用率不低于20%，而采油四廠單井最低電動機功率利用率11.41%，達不到標準規(guī)定的功率利用率指標。不合格井數(shù)138口，不合格率45.8%（表3），不達標現(xiàn)象較為普遍。

表1 小組概括

表2 小組成員情況

表3 采油四廠2010年機采系統(tǒng)效率測試結(jié)果

小組調(diào)查了解到，目前市場上還沒有專門針對抽油機負荷變化自動調(diào)整額定功率的電力拖動裝置，而變頻技術(shù)是依靠降低電動機轉(zhuǎn)速，減慢抽油機沖次以減少做功，達不到不改變沖次而減少做功的目的。因此，小組決定選擇“研制游梁式抽油機多功率電力拖動裝置”作為活動課題。

3 設(shè)定目標

（1）根據(jù)抽油機啟動—運行需要，所研制的電動機具有2種以上額定功率，大功率設(shè)定為37～55kW，小功率約為大功率的50%。

（2）根據(jù)油井負荷變化，電動機自動運行在最經(jīng)濟的額定功率狀態(tài)。

4 提出方案并確定最佳方案

4.1 提出電動機類型方案

小組設(shè)計了4種多功率電機（圖1），并從適用性、經(jīng)濟性、技術(shù)難度3個方面進行了分析。

圖1 多功率電機類型方案圖

以上4種方案均能實現(xiàn)大功率設(shè)定為37～55kW，小功率約為大功率50%的雙功率輸出目標；小組考慮到雙定子等3種方案需要重新制作電動機繞組，工藝復雜，費用高，而角、星接法雙功率電動機制作簡單、操作容易，且現(xiàn)場在用的電動機中約有30%為此類型，可以直接利用。因此，小組確定采用此方案，并進一步分解優(yōu)化。

（1）雙功率電機需要接2條動力電纜到控制箱，普通接線盒內(nèi)部容積不能滿足要求，對接線盒結(jié)構(gòu)提出3種方案，并分析優(yōu)選（表4）。

由于雙功率電機需要從控制箱接2根控制電纜到電動機接線盒，小組考慮到Y(jié)280/315異形雙孔接線盒方案投入成本低，相對于其他2種方案易于管理和操作，因此，采用此方案。

（2）對接線盒材料和加工方法，小組提出4種方案，并優(yōu)選分析（表 5）。

小組考慮到鋼板沖壓費用低，相對易于實施和質(zhì)量控制，確定采用鋼板沖壓方案。

（3）對接線盒密封方式，小組提出3種方案，并優(yōu)選分析（表6）。

由于外包式防水性能好，故確定采用。

4.2 提出角、星接法大小功率轉(zhuǎn)換控制箱方案

角、星接法大小功率轉(zhuǎn)換控制箱方案（圖2）。

圖2 角星接法轉(zhuǎn)換方法選擇圖

小組成員對以上4種轉(zhuǎn)換控制箱進行分析，數(shù)字控制轉(zhuǎn)換控制箱與其他方案相比，控制準確、及時、靈敏度高，費用適中，采用此方案。

對于選定的數(shù)字控制箱，數(shù)字自動可逆轉(zhuǎn)換保護器是核心，小組設(shè)計繪制了其工作流程圖，電流取值方法以及大、小功率轉(zhuǎn)換比較分析時間還需要確定。

表4 電機接線盒結(jié)構(gòu)方案優(yōu)選表

表5 電機接線盒材料及加工方法優(yōu)選表

表6 電機接線盒密封方式優(yōu)選表

（1）小組對大小功率轉(zhuǎn)換的電流取值方法提出3種方案，并進行了試驗和優(yōu)選分析（表7）。

抽油機負荷有正弦交變工作特性，連續(xù)電流法既放寬抽油機換向等特殊點的瞬時峰值電流限制，又要求其他相位階段的運行電流相對穩(wěn)定，可保證條件內(nèi)的平穩(wěn)運行和異常條件下的轉(zhuǎn)換，確定采用此方案。

（2）小組對大功率轉(zhuǎn)換小功率比較分析時間的方法提出3種方案，并進行了優(yōu)選分析（表8）。

小組分析，大功率轉(zhuǎn)小功率時間早幾秒或晚幾秒，對平穩(wěn)運行和節(jié)能效果影響不大，而定時限方案設(shè)定最簡單、比較分析最容易，確定采用此方案。

（3）小組對小功率轉(zhuǎn)換大功率比較分析時間的方法提出3種方案，并進行了優(yōu)選分析（表9）。

小組分析，小功率轉(zhuǎn)大功率若不及時，會造成超載燒電機的問題，對生產(chǎn)平穩(wěn)運行影響非常大。而非常反時限轉(zhuǎn)換方法比較分析相對簡單，可根據(jù)超載程度按特定關(guān)系縮短轉(zhuǎn)換時間，有利于保證設(shè)備安全平穩(wěn)運行，確定采用此方案。

4.3 確定最佳方案

根據(jù)以上方案分析優(yōu)選，小組確定了研制游梁式抽油機多功率電力拖動裝置的最佳方案（圖3）。

5 制定對策

針對確定的最佳方案，小組制定出了相應(yīng)的對策、目標及具體措施，同時配備負責人監(jiān)督措施的實施和完成（表10）。

6 實施對策

6.1 研制角、星接法雙功率電機

設(shè)計制作Y280/315異形雙孔接線盒：①接線盒座與接線盒蓋分別用整塊鋼板做成；②盒座與電機連接螺栓孔配套,盒內(nèi)容積增大80%，能保證接入2條動力電纜，通過保護器控制角、星接觸器，使電機在角、星運行方式之間轉(zhuǎn)換；③模擬淋雨試驗，接線盒內(nèi)干燥未進水。

表7 電流取值方法優(yōu)選表

表8 大功率轉(zhuǎn)小功率比較分析時間優(yōu)選表

表9 小功率轉(zhuǎn)大功率比較分析時間優(yōu)選表

圖3 最佳方案

6.2 研制數(shù)字控制自動可逆轉(zhuǎn)換控制箱

（1）編寫保護器數(shù)字控制自動可逆轉(zhuǎn)換技術(shù)要求。①連續(xù)電流法。每0.5s采集一個電流值樣本，內(nèi)部記憶達到設(shè)定標準值的連續(xù)情況；②大功率轉(zhuǎn)小功率。當采集電流值連續(xù)20s小于設(shè)定值H-時，轉(zhuǎn)換到小功率狀態(tài)運行；③小功率轉(zhuǎn)大功率。按非常反時限特性進行轉(zhuǎn)換；④設(shè)計保護器控制面板 （圖4）。

圖4 保護器控制面板

表10 對策表

（2）定制保護器并試驗。對樣品做室內(nèi)加載試驗。①通電后，電流顯示窗口每0.5s顯示一個電流值樣本，隨時搜集符合條件的連續(xù)時間段才進行轉(zhuǎn)換；②通電后，“高”指示燈亮（角接法大功率狀態(tài)起動），從“高”指示燈亮（角接大功率）轉(zhuǎn)入“低”指示燈亮（星接小功率運行）；③“低”指示燈亮（星接小功率運行）期間，調(diào)整升流器電阻，分級升高電流。

（3）設(shè)計可逆轉(zhuǎn)換控制箱裝配圖（圖5）。（4）將控制箱各零部件組裝在一起。

6.3 現(xiàn)場應(yīng)用

（1）試用及測試。2011年4月26日，將裝置安裝到W266-9等9口井試用。經(jīng)小組測試，平均電動機功率利用率37.6%，平均功率因數(shù)0.62，平均綜合節(jié)電率15.765%，效果顯著，且運行平穩(wěn)。

（2）推廣應(yīng)用。試用效果報廠裝備主管部門同意后，2011年6月，又應(yīng)用多功率電力拖動裝置94套，共推廣應(yīng)用103套，電動機部分全部利用現(xiàn)場的角接形電機，只投入了新接線盒，控制箱部分，其中78臺利用修舊箱體、元器件，25臺投入新控制箱。

圖5 控制箱裝配圖

7 效果確認

7.1 目標檢查

2011年12月，小組成員對使用的103套裝置進行了回訪，均能根據(jù)抽油機井負載大小情況，自動在角、星2種不同大小的功率間轉(zhuǎn)換，大功率均在37kW到55kW之間，小功率為大功率的57.7%；且運行安全平穩(wěn)，活動目標實現(xiàn)。

小組請工程技術(shù)監(jiān)督站委托中原油田技術(shù)監(jiān)測中心對使用多功率電力拖動裝置的103臺抽油機進行了測試（表11）。

從表11中可以看出，最低電動機功率利用率20.02%，平均功率利用率35.12%，均達到SY/T 6374-2008《機械采油系統(tǒng)經(jīng)濟運行規(guī)范》標準要求，合格率100%。平均功率因數(shù)0.605，平均綜合節(jié)電率達到14.5%。

7.2 經(jīng)濟效益

投入483 900元,折舊期按8年計算，2011年使用 6 個月,折舊后實際投入:483 900÷8÷12×6=30 244（元）。

表11 新裝置測試結(jié)果

根據(jù)技術(shù)監(jiān)測中心測試結(jié)果，平均綜合節(jié)電率14.5%,每臺每月節(jié)電260kW·h,103臺使用6個月共節(jié)電：260×14.5%×365×103÷12×6=708 666（kW·h），當年節(jié)約用電產(chǎn)生效益：0.763 2×708 666=540 854（元）。

當年創(chuàng)效：540 854-30 244=510 610（元）。

7.3 社會效益

活動成果提高了電動機設(shè)備功率因數(shù)，降低了無功電流和電機損耗。提高了現(xiàn)場使用電流法測試抽油機平衡度的準確性，為調(diào)平衡提供了科學的依據(jù)，有助于延長設(shè)備使用壽命。同時，節(jié)電效果非常顯著，大大節(jié)約了電力資源，為企業(yè)節(jié)能降耗做出了積極的貢獻，在油田生產(chǎn)一線具有很好的推廣價值和現(xiàn)實意義。

8 標準化

（1）整理技術(shù)圖紙和資料,裝訂成冊,編號 JN 2011-01，留裝備科存檔保管，便于日后工作中使用。

（2）小組編寫了視頻培訓課件，采用了課堂教學與現(xiàn)場演示2種辦法，培訓現(xiàn)場工人掌握該裝置應(yīng)用技術(shù)，并由技術(shù)培訓部門考核，全部合格。

（3）從現(xiàn)場測試可以看出，該裝置顯著提高抽油機電動機功率利用率和電機功率因數(shù)，電動機功率利用率達到35%，遠大于SY/T 6374-2008《機械采油系統(tǒng)經(jīng)濟運行規(guī)范》不低于20%的標準規(guī)定。自然功率因數(shù)達到0.6，超過了SY/T 6275-2007《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》不低于0.4的標準規(guī)定。2012年，采油四廠已列專項資金，推廣應(yīng)用該技術(shù)。

9 總結(jié)和下一步打算

本次活動研制了游梁式抽油機多功率電力拖動裝置，創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟效益和社會效益，得到了領(lǐng)導和現(xiàn)場工人的一致好評，增強了小組集體榮譽感和凝聚力，提高了小組成員專業(yè)技能和解決問題能力。下一步，打算把《縮短低產(chǎn)井洗井排液時間》作為活動課題。

王梅

2012-09-23▌