可變功率節(jié)能拖動(dòng)裝置在低滲透油田的應(yīng)用

關(guān)文濤（大慶油田有限責(zé)任公司第十采油廠）

可變功率節(jié)能拖動(dòng)裝置在低滲透油田的應(yīng)用

關(guān)文濤（大慶油田有限責(zé)任公司第十采油廠）

某低滲透油田原油物性差，要求抽油機(jī)啟動(dòng)扭矩大，需要大容量的裝機(jī)功率，造成電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)時(shí)處于輕載運(yùn)行狀態(tài)，為解決這一問題，在電動(dòng)機(jī)能耗分析的基礎(chǔ)上，研究試驗(yàn)了可變功率節(jié)能拖動(dòng)裝置，應(yīng)用該裝置單井平均日節(jié)電15.12kWh，綜合節(jié)電率達(dá)24.82%。

抽油機(jī) 可變功率 拖動(dòng)裝置 節(jié)能 低滲透油田

某低滲透油田開采初期采用普通Y系列拖動(dòng)裝置，該拖動(dòng)裝置啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩低，所以通過提高拖動(dòng)裝置容量來滿足啟動(dòng)需要，但過大的裝機(jī)容量造成油井生產(chǎn)時(shí)常常處于輕載運(yùn)行狀態(tài)，使拖動(dòng)裝置運(yùn)行效率降低，增加了油井能耗。為降低機(jī)采能耗，油田在電動(dòng)機(jī)能耗分析的基礎(chǔ)上，現(xiàn)場試驗(yàn)可變功率節(jié)能拖動(dòng)裝置，取得了較好的節(jié)能效果。

1 電動(dòng)機(jī)耗能自身影響因素

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)耗能因素很多，其中自身損耗也是主要影響因素之一。

1.1電動(dòng)機(jī)的損耗

電動(dòng)機(jī)的損耗分為以下4類：

◇ 基本銅耗 (ΔPCu)： 由 交 流 電 樞 繞 組 的 相 電流和相電阻引起；

◇ 基 本 鐵 心 損 耗 (ΔPFe)： 由于磁 通 交 變 在 鐵心中產(chǎn)生的損耗，包括磁滯及渦流損耗；

◇ 機(jī) 械 損 耗 ( ΔPfw)： 包 括 通 風(fēng) 系 統(tǒng) 損 耗 及 軸承機(jī)械摩擦損耗；

◇ 雜散損耗(ΔPs)：除上述以外的電動(dòng)機(jī)損耗歸 于雜散 損耗 (簡稱 雜耗)， 主要 為漏磁 場在 金屬中的渦流損耗以及氣隙中諧波磁場在定子鐵心和導(dǎo)體中引起的損耗等，各種電動(dòng)機(jī)雜耗差別很大，一般隨 負(fù) 載 增 大 ，雜耗基 本 與 電 流 平方成正 比[1]。

以上4類損耗可以分成兩部分，即不隨負(fù)載變動(dòng)的不變損耗與可變損耗。不變損耗包括鐵心損耗及風(fēng)摩損耗，可變損耗包括銅耗及雜耗。

1.2電動(dòng)機(jī)損耗分析

三相異步電動(dòng)機(jī)的輸入有功功率為

其輸出功率為

電動(dòng)機(jī)的損耗 ΔP機(jī)隨輸出功率 P2的變化關(guān)系如 圖1 所 示 ， 淺 綠 色 線 為 ΔPfw、 粉 色 線 為 ΔPfw+ ΔPFe、 藍(lán) 色 線 為 ΔPfw+ ΔPFe+ ΔPs、 紅 色 線 為ΔPfw+ ΔPFe+ ΔPs+ ΔPCu。

圖1 異步電動(dòng)機(jī)損耗隨輸出功率的變化趨勢

現(xiàn)場試驗(yàn)表明，異步電動(dòng)機(jī)的損耗一般占額定功率的6%左右，并且隨著額定功率的增大，其自身損耗所占比重也隨之增加。

1.3電動(dòng)機(jī)效率分析

電動(dòng)機(jī)的效率計(jì)算公式：η1=P2/P1× 100%=(1- ∑ΔP機(jī)/P1)× 100% （3）通過理論分析，電動(dòng)機(jī)效率 η1隨輸出功率 P2的變化曲線如圖2所示。從圖中可以看出，當(dāng) P2在 （60%～100%）PN范圍變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率 η1較高；當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷低于 50%PN以后，電動(dòng)機(jī)效率急劇 下 降[2]。

圖2 異步電動(dòng)機(jī)的效率曲線

因此，要提高電動(dòng)機(jī)負(fù)載率，就要提高電動(dòng)機(jī)效率；但當(dāng)電動(dòng)機(jī)的輸出功率基本保持不變且與裝機(jī)功率相比過小時(shí)，提高負(fù)載率最有效的辦法就是降低電動(dòng)機(jī)額定功率 PN。

理論分析表明，要使電動(dòng)機(jī)在最低能耗下發(fā)揮最大功能，應(yīng)在保證啟動(dòng)力矩前提下，盡可能地降低電動(dòng)機(jī)的額定功率，提高電動(dòng)機(jī)的功率利用率和電動(dòng)機(jī)效率，最大限度地使抽油機(jī)負(fù)載和電動(dòng)機(jī)輸出功率達(dá)到匹配。

2 可變功率節(jié)能拖動(dòng)裝置

某油田為降低機(jī)采能耗，近幾年不斷試驗(yàn)應(yīng)用了不同類型的節(jié)能電動(dòng)機(jī)，雖然取得了一定的節(jié)能效果，但都沒有從根本上解決“大馬拉小車”的問題。

2.1可變功率電動(dòng)機(jī)

可變功率節(jié)能拖動(dòng)裝置由可變功率電動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)控制箱兩部分組成?？勺児β孰妱?dòng)機(jī)與雙速雙功率電動(dòng)機(jī)的區(qū)別在于繞組的不同：雙速雙功率電動(dòng)機(jī)有2套繞組，2種接法，對應(yīng)2種電動(dòng)機(jī)極數(shù)、轉(zhuǎn)速和功率；而可變功率節(jié)能拖動(dòng)裝置的電動(dòng)機(jī)只有1套繞組，3種接法，對應(yīng) 3種功率 （表1）。

根據(jù)試驗(yàn)井的負(fù)載及工作參數(shù)等情況，選取可變功率電動(dòng)機(jī)型號(hào)為 YCH225-12 （YCH 指抽油機(jī)專用三相異步高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)，225 表示機(jī)座中心高為 225mm，12表示電動(dòng)機(jī)極數(shù)為 12極，對應(yīng)同步轉(zhuǎn)速為 500r/min）。

可變功率電動(dòng)機(jī)有以下特點(diǎn)：

1）電動(dòng)機(jī)具有 7%～11%的轉(zhuǎn)差率，這樣的軟啟動(dòng)特性有利于抽油機(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，延長抽油機(jī)的使用壽命。

表1 可變功率電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)

2）電動(dòng)機(jī)具有較大的過載能力，能在額定負(fù)荷下連續(xù)可靠地運(yùn)行。

3）電動(dòng)機(jī)繞組內(nèi)裝有過溫保護(hù)熱繼電器，能夠通過保護(hù)裝置來保障電動(dòng)機(jī)的可靠運(yùn)行。

4）電動(dòng) 機(jī)具有 3 種轉(zhuǎn)矩形式 的輸出可供 選擇，能夠與抽油機(jī)達(dá)到良好的功率匹配。

5）可變功率節(jié)能拖動(dòng)裝置的電動(dòng)機(jī)控制箱與普通控制箱的最大區(qū)別在于內(nèi)部裝配了一個(gè)能夠進(jìn)行數(shù)字化顯示的節(jié)能控制器(跟蹤、記錄電流并進(jìn)行功率切換)，上有可顯示電動(dòng)機(jī)電流等其他參數(shù)的液晶面板；同時(shí)該電動(dòng)機(jī)控制箱還配備有補(bǔ)償電容器，能降低電動(dòng)機(jī)及線路的無功損耗，提高電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)；另外還具有短路保護(hù)、過載保護(hù)、斷相保護(hù)、浪涌過電壓保護(hù)（防止電動(dòng)機(jī)因過電壓或雷擊而燒毀）及故障記憶、靈敏度調(diào)節(jié)等功能。

2.2可變功率節(jié)能拖動(dòng)裝置的工作原理

可變功率節(jié)能拖動(dòng)裝置電動(dòng)機(jī)繞組的3種連接方式分別是星形、角形和延邊三角形，不同的連接方式對 應(yīng)不 同的輸 出轉(zhuǎn) 矩(額 定功 率)。當(dāng) 電動(dòng)機(jī) 繞組接成角形時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩最大；當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組接成延邊三角形時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩次之；當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組接成星形時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩最小。

該節(jié)能拖動(dòng)裝置利用控制箱里的數(shù)字化節(jié)能控制器來實(shí)現(xiàn)高、中、低3種輸出轉(zhuǎn)矩形式的自動(dòng)變換。啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)為高功率形式，啟動(dòng)后由數(shù)字化節(jié)能控制器檢測抽油機(jī)運(yùn)行負(fù)載和電流，并根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流的大小，自動(dòng)選擇一種與負(fù)載最佳的功率匹配形式運(yùn)行。如果小于下一級(jí)功率的額定電流，就將電源切換到電動(dòng)機(jī)的下一級(jí)功率狀態(tài)；電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在小功率期間，如果采油工況發(fā)生變化，抽油機(jī)負(fù)載大于電動(dòng)機(jī)小功率對應(yīng)的額定負(fù)載，就將電源切換回電動(dòng)機(jī)的大功率狀態(tài)。這樣就可以在輕負(fù)載的情況下將電動(dòng)機(jī)的額定功率自動(dòng)降至最低需求，而在整個(gè)功率變換過程中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，降低電動(dòng)機(jī)的定子勵(lì)磁電流，使電動(dòng)機(jī)繞組的鐵損、銅損以及整個(gè)供電線路的損耗減少，避免電動(dòng)機(jī)的電能浪費(fèi)，提高了電動(dòng)機(jī)的效率。

3 裝置應(yīng)用及效果

3.1安裝前試驗(yàn)井情況

安裝前5口試驗(yàn)井所用拖動(dòng)裝置均是雙速雙功率電動(dòng)機(jī)，額定功率有兩擋，同時(shí)對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速和沖速。為了對比高低擋功率下的耗能情況，選取其中4口試驗(yàn)井分別對高、低擋功率運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行測試對比，對比試驗(yàn)井高擋功率15kW，低檔功率10kW，對 應(yīng) 轉(zhuǎn)速為 700r/min 和 450r/min，測試 結(jié)果表明：低檔狀態(tài)相比高檔狀態(tài)，沖速下降1.81min-1， 有 功 功 率 減 少 0.93kW， 有 功 節(jié) 電 率21.58% ， 單 井 日 節(jié) 電 22.32kWh， 節(jié) 電 效 果 較 明 顯（表2）。

表2 雙速雙功率電動(dòng)機(jī)高、低擋位應(yīng)用效果對比

通過以上高低功率應(yīng)用效果的對比，現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)過程中，5口試驗(yàn)井均選擇低檔位、低功率狀態(tài) 下 運(yùn) 行 ， 平 均上、下 電 流 為 11.3A、11.1A， 平均消耗功率為 3.39kW，功率利用率為 35.7%，平均無功功率 13.36kvar，平均功率因數(shù) 0.25，平均系統(tǒng)效率為 4.35%。

3.2可變功率電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況

2009年 9月在 5 口試驗(yàn)井上更換安裝可變功率節(jié)能拖動(dòng)裝置，安裝后試驗(yàn)井均能順利啟動(dòng)，產(chǎn)量保持穩(wěn)定。在功率變換的過程中，一個(gè)明顯變化就是上下電流值的變化：在功率由高到低的變換中，電流值也在一直變小 （表3）。上升 4.27%，消耗功率下降 0.99kW，平均單井日節(jié)電 23.8kWh， 有 功 節(jié) 電 率 為 29.24%， 無 功 節(jié) 電 率79.26%，綜合節(jié)電率 36.24%。

3.3.2 沖速相同時(shí)的效果

為了說明電動(dòng)機(jī)的節(jié)能效果，需要在沖速不變的前提下，錄取試驗(yàn)井的運(yùn)行參數(shù)。2009年 10月下旬對試驗(yàn)井進(jìn)行了沖速調(diào)整，使試驗(yàn)井全部調(diào)整到試驗(yàn)前的沖速水平。

沖速調(diào)整后，和安裝前對比，上下電流分別下降 7.7A、7.9A，功率利用率提高 24.3%，系統(tǒng)效率上升 3.07%，消耗功率下降 0.63kW，平均單井日節(jié)電 15.12kWh， 有 功 節(jié) 電 率 為 18.58% ， 無 功 節(jié) 電 率53.23%，綜合節(jié)電率 24.82%。

通過沖速調(diào)整前后的對比發(fā)現(xiàn)，沖速對最終節(jié)能效果的影響是比較大的。

3.3.3 經(jīng)濟(jì)效益

可變功率拖動(dòng)裝置目前單臺(tái)價(jià)格 2.67 萬元，單井日節(jié)電 15.12kWh，按設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn) 15 年、電 費(fèi) 0.5946元/kWh 計(jì)算，年節(jié)電 5518.8kWh，年節(jié)約資金 3281元，與普通電動(dòng)機(jī)相比差價(jià)回收期 2.6年。

4 認(rèn)識(shí)

1）可變功率電動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)抽油機(jī)井高擋啟動(dòng)，低擋運(yùn)行，解決“大馬拉小車”問題。

2）可變功率電動(dòng)機(jī)在低擋運(yùn)行狀態(tài)下，可提高功率利用率，有效降低了電動(dòng)機(jī)內(nèi)部損耗，節(jié)能

3.3效果對比

3.3.1 沖速不同時(shí)的效果

安裝初期，試驗(yàn)井平均沖速相比安裝前有所降低 ， 平 均 沖 速 下 降 0.91min-1， 上 下 電 流 分 別 下 降8.5A、8.6A，功率利用率提高 16.47%，系統(tǒng)效率效果顯著。

表3 電動(dòng)機(jī)功率變換過程中電流變化情況

[1]李夙.異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999：97-100.

[2]萬 仁 溥.采 油 技 術(shù) 手 冊 [M].北 京:石 油 工 業(yè) 出 版 社, 1993：55-58.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.002.012

2012-10-08）

關(guān)文濤， 2006年畢業(yè)于黑龍江科技大學(xué)，從事機(jī)采節(jié)能 工作，E-mail:guanwentao@petrochina.com.cn， 地 址 ： 黑 龍 江省大慶油田有限責(zé)任公司第十采油廠工程技術(shù)大隊(duì)，166405。