葡萄花油田抽油機(jī)用節(jié)能電動(dòng)機(jī)評(píng)價(jià)及適應(yīng)性探討

冉衛(wèi)東（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

葡萄花油田抽油機(jī)用節(jié)能電動(dòng)機(jī)評(píng)價(jià)及適應(yīng)性探討

冉衛(wèi)東（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

通過對(duì)大慶油田第七采油廠不同節(jié)能電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性及工作原理進(jìn)行闡述，并結(jié)合各自的設(shè)計(jì)理論及實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)抽油機(jī)在用節(jié)能電動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。從評(píng)價(jià)結(jié)果看，對(duì)于產(chǎn)液量較高、抽油機(jī)載荷較大的葡北等地區(qū)，建議以應(yīng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)和雙功率電動(dòng)機(jī)為主；對(duì)于產(chǎn)液量及系統(tǒng)效率較低的葡南、臺(tái)肇等地區(qū)，建議以應(yīng)用低速電動(dòng)機(jī)為主。通過分析結(jié)果，對(duì)不同節(jié)能電動(dòng)機(jī)的適應(yīng)性進(jìn)行了探討，為油田節(jié)能工作的持續(xù)開展提供了技術(shù)支持。

抽油機(jī) 節(jié)能電動(dòng)機(jī) 適用性 評(píng)價(jià) 分析

目前，油田使用的抽油機(jī)大多是常規(guī)游梁式抽油機(jī)，屬于帶負(fù)荷啟動(dòng)設(shè)備，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)所需的轉(zhuǎn)矩較小，而在啟動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩很大，因此，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)必須使用比穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)功率大得多的電動(dòng)機(jī)和大容量變壓器。這雖然解決了抽油機(jī)的啟動(dòng)問題，但是電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行是在輕載狀態(tài)下，這樣就降低了功率因數(shù)和電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，增大了電能的消耗。針對(duì)此問題，考慮在抽油機(jī)上使用節(jié)能電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)裝置，例如永磁同步電動(dòng)機(jī)、雙速電動(dòng)機(jī)、低速電動(dòng)機(jī)等，來解決抽油機(jī)的啟動(dòng)問題，降低電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行能耗。

1 抽油機(jī)、電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行機(jī)理及特點(diǎn)

1.1 抽油機(jī)運(yùn)行特性分析

載荷扭矩曲線是一條非對(duì)稱的正弦曲線，具有周期脈動(dòng)的負(fù)載特性。抽油機(jī)工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)驢頭的上下運(yùn)動(dòng)，抽油桿在上行和下行時(shí)負(fù)載的變化較大，導(dǎo)致抽油機(jī)減速器的凈扭矩波動(dòng)幅度大，反映在電動(dòng)機(jī)上則電流變化幅度較大。

由于抽油機(jī)具有自身的機(jī)械平衡裝置和周期脈動(dòng)的負(fù)載特性，所以要求電動(dòng)機(jī)具有高啟動(dòng)扭矩，以保證抽油機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下啟動(dòng)運(yùn)行。這樣在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)就要求額定功率要大（啟動(dòng)扭矩大）。當(dāng)抽油機(jī)正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載下降，電動(dòng)機(jī)在輕載狀態(tài)下工作（一般運(yùn)行功率僅為裝機(jī)功率的三分之一），系統(tǒng)效率測(cè)試數(shù)據(jù)顯示功率因數(shù)多在0.3～0.5之間。

1.2 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行機(jī)理分析

根據(jù)抽油機(jī)的負(fù)載特性，使用的節(jié)能電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有負(fù)載越輕時(shí)效率和功率因數(shù)越高，啟動(dòng)力矩大，過載能力強(qiáng)等特性，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井運(yùn)行負(fù)載與電動(dòng)機(jī)輸出負(fù)載間的合理匹配。

1.2.1 機(jī)械特性

電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性分為硬特性和軟特性兩種。硬特性是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩在允許范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化很小，同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是一條直線，其轉(zhuǎn)速不隨轉(zhuǎn)矩的變化而變化，典型的如永磁同步電動(dòng)機(jī)；軟特性是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的變化下降很快，機(jī)械特性的斜率較大，但其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻較大，典型的如高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)。

1.2.2 工作原理

當(dāng)電動(dòng)機(jī)接通三相電源時(shí)，三相交流電通入定子繞組后，便形成了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力線被轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有電流流過，導(dǎo)體受電磁力作用形成電磁轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)轉(zhuǎn)子以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，并從軸上輸出一定大小的機(jī)械功率。

1.2.3 節(jié)能原理

如果電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在額定負(fù)荷或額定負(fù)荷附近，則電動(dòng)機(jī)屬于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率取決于電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)G B12497—1995規(guī)定，Y系列（IP44）37 k W6極電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率應(yīng)大于0.40；22k W 6極電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率應(yīng)大于0.46，此時(shí)電動(dòng)機(jī)為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。對(duì)于不同功率的Y系列電動(dòng)機(jī)，效率下降點(diǎn)也不同。一般情況下，效率和功率因數(shù)隨負(fù)荷率變化的曲線如圖3所示。把效率將要快速下降點(diǎn)a所對(duì)應(yīng)的負(fù)荷率稱為臨界負(fù)荷率βa。當(dāng)負(fù)荷率β＞βa時(shí)，效率的變化不大，這是由電動(dòng)機(jī)的可變損耗和不變損耗的對(duì)比關(guān)系所決定的。當(dāng)負(fù)荷率β＜0.70時(shí)，功率因數(shù)下降很快。功率因數(shù)低不但使電動(dòng)機(jī)本身能耗有所增加，而且給電網(wǎng)造成了附加損耗，降低了電網(wǎng)容量和變壓器設(shè)備的利用率。從以上討論可以看出，只要負(fù)荷率β不低于βa，“大馬拉小車”的影響主要是降低功率因數(shù)。對(duì)于一般負(fù)荷（如風(fēng)機(jī)、水泵），節(jié)能的關(guān)鍵是提高負(fù)荷率。如果將負(fù)荷率提高到0.70～0.80，即為最佳運(yùn)行狀態(tài)，沒有必要提高到1。一般工作在β=0.70以上，功率因數(shù)比較高。

1.3 常用節(jié)能電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)

抽油機(jī)井節(jié)能在理論上所追求的是“抽油機(jī)井的機(jī)械特性與電動(dòng)機(jī)特性間的合理匹配”，真正實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井運(yùn)行負(fù)載與電動(dòng)機(jī)輸出負(fù)載間的合理匹配[1]。

1.3.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)

永磁同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)方面相似，只是在轉(zhuǎn)子鼠籠條內(nèi)嵌入稀土永磁鋼，改變了原來定子勵(lì)磁為轉(zhuǎn)子稀土永磁鋼勵(lì)磁的方式，變異步電動(dòng)機(jī)為同步電動(dòng)機(jī)。其特點(diǎn)是提高了低負(fù)荷區(qū)的電動(dòng)機(jī)效率，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，運(yùn)行電流小，功率因數(shù)高。不足之處在于同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性較硬，在重載井或沖次高的井上應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)易出現(xiàn)振動(dòng)。因此，永磁同步電動(dòng)機(jī)需要安裝在供電線路壓降小、電壓穩(wěn)定的井上，否則啟動(dòng)困難。同時(shí)永磁同步電動(dòng)機(jī)的制造成本較高，損壞后維修困難，并容易出現(xiàn)退磁的現(xiàn)象。

1.3.2 雙速電動(dòng)機(jī)

雙速電動(dòng)機(jī)屬于異步電動(dòng)機(jī)變極調(diào)速，它是通過改變定子繞組的連接方法改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁極對(duì)數(shù)，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。其特點(diǎn)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，且運(yùn)行時(shí)有兩個(gè)擋位，可以在不更換皮帶輪的情況下調(diào)整沖速。不足之處在于該電動(dòng)機(jī)的調(diào)速是有極的，不能平滑調(diào)速，而且只適用于鼠籠式電動(dòng)機(jī)，調(diào)速時(shí)需手動(dòng)變換擋位調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來控制沖速。

1.3.3 雙功率電動(dòng)機(jī)

雙功率電動(dòng)機(jī)的定子繞組采用兩個(gè)可以并聯(lián)運(yùn)行的繞組，兩個(gè)繞組的功率不同，這種電動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)大功率下啟動(dòng)、小功率下運(yùn)行，保證了電動(dòng)機(jī)功率與抽油機(jī)負(fù)載的合理匹配，使電動(dòng)機(jī)在效率和功率因數(shù)最佳的狀態(tài)下運(yùn)行。其特點(diǎn)是啟動(dòng)和運(yùn)行功率之間可自動(dòng)切換，缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)差率高，在運(yùn)行過程中易出現(xiàn)丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

1.3.4 低速電動(dòng)機(jī)

低速電動(dòng)機(jī)是在頻率 f不變的情況下，改變異步電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)P，這樣可以改變其同步轉(zhuǎn)速n（n=60f/P），從而使電動(dòng)機(jī)在某一負(fù)荷下的穩(wěn)定速度發(fā)生變化，達(dá)到調(diào)整抽汲速度的目的。低速電動(dòng)機(jī)是通過降低抽油機(jī)沖速達(dá)到節(jié)能的目的，其特點(diǎn)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，可降低電動(dòng)機(jī)機(jī)座型號(hào)進(jìn)行應(yīng)用，其不足之處是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不可調(diào)，運(yùn)行功率因數(shù)較低。

1.3.5 雙聯(lián)齒輪減速電動(dòng)機(jī)

雙聯(lián)齒輪減速電動(dòng)機(jī)是通過安裝在其專用電動(dòng)機(jī)上的齒輪機(jī)械減速器達(dá)到降低輸出轉(zhuǎn)速和增加輸出扭矩的目的，具有良好的啟動(dòng)性和軟特性。其特點(diǎn)是能夠用較小容量取代較大容量的普通電動(dòng)機(jī)，可降低電動(dòng)機(jī)裝機(jī)容量45%～55%，沖速調(diào)整范圍在0.8～4 min-1。此種電動(dòng)機(jī)的不足之處在于長(zhǎng)期運(yùn)行后齒輪易磨損，導(dǎo)致噪聲較大，使用壽命降低；調(diào)大沖速比較困難。

1.4 節(jié)能電動(dòng)機(jī)應(yīng)用效益分析

以上5種節(jié)能電動(dòng)機(jī)的使用有效期均按8年計(jì)算（表1），永磁電動(dòng)機(jī)投入費(fèi)用居中，節(jié)能效果最好，投資回收期最短；雙速電動(dòng)機(jī)投入費(fèi)用最高，投資回收期最長(zhǎng)。

表1 節(jié)能電動(dòng)機(jī)效益評(píng)價(jià)表

2 節(jié)能電動(dòng)機(jī)適應(yīng)性探討

選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，在兼顧性價(jià)比的前提下，應(yīng)對(duì)抽油機(jī)井實(shí)際工況進(jìn)行分析，從電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能、過載能力、節(jié)電效果等幾個(gè)方面進(jìn)行比較，做出較為合理的選擇[2]。

2.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)

永磁同步電動(dòng)機(jī)的特性較硬，除對(duì)重載井有一定的不適應(yīng)性外，適用范圍較廣，節(jié)能效果明顯，在老區(qū)改造和新開發(fā)區(qū)塊上大面積應(yīng)用，可獲得規(guī)模效益。從油井工況方面考慮，對(duì)于高含水、泵掛在1000m以內(nèi)，沖速不高于4 min-1，抽油桿彈性變形不是很大的井上應(yīng)用，節(jié)電效果能達(dá)到15%以上。對(duì)于啟動(dòng)困難的井，可以采用軟啟動(dòng)裝置與永磁同步電動(dòng)機(jī)配合使用，節(jié)電效果明顯，但是增大了投資成本。

2.2 雙速電動(dòng)機(jī)

雙速電動(dòng)機(jī)適用于供排關(guān)系不穩(wěn)定、產(chǎn)量波動(dòng)范圍較大的抽油機(jī)井。因該電動(dòng)機(jī)具有7%的轉(zhuǎn)差率和2倍的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，有利于抽油機(jī)在啟動(dòng)和發(fā)生砂卡、蠟卡時(shí)減少減速箱和抽油桿所受的沖擊載荷，因此，可選擇在易結(jié)蠟的井上使用。

2.3 雙功率電動(dòng)機(jī)

雙功率電動(dòng)機(jī)適用于抽油機(jī)載荷大、易結(jié)蠟且啟動(dòng)困難的油井。

2.4 低速電動(dòng)機(jī)

低速電動(dòng)機(jī)適用于系統(tǒng)效率低、機(jī)采運(yùn)行參數(shù)大、供采不合理、載荷較大的抽油機(jī)井。該電動(dòng)機(jī)是通過降低抽汲頻率來達(dá)到節(jié)能的目的，電動(dòng)機(jī)仍為普通電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也不可調(diào)，所以在油井參數(shù)比較穩(wěn)定的老抽油機(jī)上進(jìn)行低速電動(dòng)機(jī)改造是比較經(jīng)濟(jì)的。

2.5 雙聯(lián)齒輪電動(dòng)機(jī)

雙聯(lián)齒輪電動(dòng)機(jī)適用于井深、產(chǎn)量低，抽油機(jī)機(jī)型偏大和拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率大的抽油機(jī)井。從油井工況方面考慮，對(duì)于供液不足、低沖速（一般在1~4 min-1）的井，主要考慮電動(dòng)機(jī)的低轉(zhuǎn)速，可選擇雙聯(lián)齒輪電動(dòng)機(jī)。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）在應(yīng)用節(jié)能電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同區(qū)塊的能耗狀況及油井功況，綜合考慮各種節(jié)能電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及適應(yīng)性，合理匹配電動(dòng)機(jī)功率，達(dá)到規(guī)?；б?。對(duì)于產(chǎn)液量較高、抽油機(jī)載荷較大的葡北等地區(qū)，建議以應(yīng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)和雙功率電動(dòng)機(jī)為主；對(duì)于產(chǎn)液量及系統(tǒng)效率較低的葡南、臺(tái)肇等地區(qū)，建議以應(yīng)用低速電動(dòng)機(jī)為主。

2）在節(jié)能措施實(shí)施過程中，應(yīng)考慮投資與回收期、能耗與投入成本等方面的關(guān)系，控制投入成本，保證節(jié)能技術(shù)最優(yōu)化、效益最大化。

3）在節(jié)能設(shè)備后期應(yīng)用過程中，應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備的日常管理及維護(hù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能設(shè)備的高效、低耗運(yùn)行，保證節(jié)能效果。

[1]殷雷.抽油機(jī)用節(jié)能電動(dòng)機(jī)評(píng)價(jià)及改造方式的探討[J].應(yīng)用能源技術(shù),2008（9）:12-14.

[2]王釗,秦英.李權(quán),等.抽油機(jī)節(jié)能電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2007,36（8）:6-8.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.04.013

冉衛(wèi)東，2005年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院，從事采油工程方面的工作，E-mail：songbing@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市大同區(qū)第七采油廠電力維修大隊(duì)，163517。

2012-01-06）