大慶油田抽油機(jī)節(jié)能電機(jī)及其應(yīng)用效果分析

戴洪森 （中石油大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠，黑龍江 大慶163256）

目前，油田使用的常規(guī)游梁抽油機(jī)屬于帶負(fù)荷啟動(dòng)設(shè)備，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩較小，而在啟動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩很大，因而在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)必須使用比穩(wěn)定時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)功率大得多的電機(jī)和大容量變壓器，這樣雖然解決了啟動(dòng)問(wèn)題，但由于電機(jī)正常運(yùn)行在輕載狀態(tài)，降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)和電機(jī)的效率，增加了無(wú)功消耗，從而嚴(yán)重影響了油田的經(jīng)濟(jì)效益。為了改變上述狀況，大慶油田在常規(guī)游梁抽油機(jī)上使用了節(jié)能電機(jī)。下面，筆者以大慶油田第三采油廠為例，針對(duì)不同節(jié)能電機(jī)的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析與探討。

1 有刷直流電機(jī)及應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

1.1 超高轉(zhuǎn)差率電機(jī)

1）主要技術(shù)特點(diǎn) 超高轉(zhuǎn)差率電機(jī)主要依靠降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來(lái)增加扭矩，從而降低裝機(jī)功率，最終達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能的目的，具體內(nèi)容如下：①超高轉(zhuǎn)差率電機(jī)的軟特性改變了光桿運(yùn)行速度的規(guī)律，當(dāng)遇到換向沖擊載荷和重載荷時(shí)，轉(zhuǎn)速下降。②超高轉(zhuǎn)差率電機(jī)啟動(dòng)扭矩大、啟動(dòng)電流小，降低裝機(jī)功率，使電機(jī)的固定損耗 （鐵損、機(jī)械損）降低 （見(jiàn)圖1）。但該電機(jī)也存在以下不足：①超高轉(zhuǎn)差率電機(jī)一般適用于振動(dòng)載荷較大的井，而采油工藝要求大沖程、低沖次，這種工藝需要最大限度地減少慣性負(fù)荷和振動(dòng)負(fù)荷，因而該電機(jī)的應(yīng)用范圍被大大縮小。②由于該電機(jī)轉(zhuǎn)差率高，會(huì)導(dǎo)致載荷變化大的抽油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中易出現(xiàn)丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象。③只能在固定功率下運(yùn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)采井運(yùn)行負(fù)載與電機(jī)輸出負(fù)載間的合理匹配，最終影響電機(jī)運(yùn)行效率。

圖1 電機(jī)功圖對(duì)比 （北2－4－467井）

2）應(yīng)用效果 大慶油田第三采油廠有超高轉(zhuǎn)差率電機(jī)142臺(tái)投入運(yùn)行 （其中低壓超高轉(zhuǎn)差率電機(jī)38臺(tái)，高壓超高轉(zhuǎn)差率電機(jī)104臺(tái) （帶有660V節(jié)能防竊一體化拖動(dòng)裝置）），裝機(jī)功率降低了20.4%，有功功率下降1.477kW，平均單井日節(jié)電35.4kW·h，平均有功節(jié)電率11.3%，功率因數(shù)上升了0.514。特別是高壓節(jié)能防竊一體化拖動(dòng)裝置，不僅保證了油井正常生產(chǎn)，減少了生產(chǎn)成本開(kāi)支，還有效遏制了私拉亂接現(xiàn)象，杜絕了油井竊電現(xiàn)象。

1.2 雙繞組電機(jī) （雙速雙功率）

1）主要技術(shù)特點(diǎn) 雙繞組電機(jī)在設(shè)計(jì)上是在單槽內(nèi)下入雙線(xiàn)，即形成了2套繞組 （稱(chēng)之為啟動(dòng)繞組和工作繞組），由此確保該電機(jī)具有2種功率，即啟動(dòng)功率和運(yùn)行功率。在控制系統(tǒng)中應(yīng)用了Y－Δ轉(zhuǎn)換，使實(shí)際運(yùn)行功率可以依據(jù)負(fù)載的需求多了一級(jí)功率的變換，最終達(dá)到節(jié)能的目的，具體內(nèi)容如下：①電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)繞組在額定功率下 （啟動(dòng)功率）啟動(dòng)電機(jī)，以滿(mǎn)足抽油機(jī)啟動(dòng)時(shí)需高扭矩的要求，啟動(dòng)后轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行。②正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)載下降，通過(guò)控制箱自動(dòng)轉(zhuǎn)換到工作繞組上運(yùn)行，電機(jī)的功率下降至運(yùn)行功率。工作繞組將2個(gè)繞組串聯(lián)，運(yùn)行功率的值是根據(jù)抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載大小來(lái)決定的。③電機(jī)運(yùn)行負(fù)載與輸出負(fù)載間匹配合理，確保了電機(jī)能夠高效運(yùn)行。但該電機(jī)存在的缺點(diǎn)是無(wú)論進(jìn)行大功率運(yùn)行還是小功率運(yùn)行，電機(jī)的機(jī)械特性都比較硬，不能很好地解決系統(tǒng)配合的問(wèn)題。

2）應(yīng)用情況 大慶油田第三采油廠第一油礦共安裝了143臺(tái)雙速雙功率節(jié)能電機(jī)，其中新井投產(chǎn)安裝75臺(tái)，節(jié)能電機(jī)改造安裝68臺(tái)，對(duì)68臺(tái)節(jié)能改造的電機(jī)安裝前后進(jìn)行了電參測(cè)試，結(jié)果表明，有功功率下降1.16kW，平均單井日節(jié)電27.8kW·h，有功節(jié)電率10.6%，功率因數(shù)上升了0.383。

1.3 永磁同步電機(jī)

1）主要技術(shù)特點(diǎn) 該電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與Y系列電機(jī)相似，所不同的是在電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)鑲?cè)胗来盆F，使轉(zhuǎn)子自身具有高強(qiáng)度磁場(chǎng)，可以用來(lái)取代電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的電勵(lì)磁，顯著提高功率因數(shù)，減小了定子電流和定子電阻損耗 （見(jiàn)圖2），具體內(nèi)容如下：①永磁同步電機(jī)為同步工作方式，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)完全同步，與異步電機(jī)相比，無(wú)轉(zhuǎn)差損耗。②解決了電容補(bǔ)償問(wèn)題，可以省去無(wú)功補(bǔ)償電容器。③啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大過(guò)載能力強(qiáng)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的3.0～4.0倍，能替換比其大1～2個(gè)功率等級(jí)的Y系列異步電機(jī)。但該電機(jī)存在以下不足：無(wú)法實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)運(yùn)行負(fù)載與電機(jī)輸出負(fù)載間的合理匹配；電機(jī)在額定功率運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性比普通電機(jī)還硬，運(yùn)行中無(wú)轉(zhuǎn)差；在重載井上啟動(dòng)時(shí)電機(jī)易出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。

圖2 電機(jī)功圖對(duì)比 （北2－321－59井）

2）應(yīng)用情況 大慶油田第三采油廠第一油礦共安裝永磁同步電機(jī)29臺(tái)，在抽油機(jī)上推廣應(yīng)用永磁同步電機(jī)平均節(jié)電率15%～30%。據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算，平均每臺(tái)電機(jī)年節(jié)電23652kW·h，經(jīng)濟(jì)效益12945元 （電費(fèi)按0.5473元／（kW·h）計(jì)算）。

1.4 無(wú)觸點(diǎn)智能軟啟動(dòng)自動(dòng)變速電機(jī)

1）主要技術(shù)特點(diǎn) 該電機(jī)具有如下技術(shù)特點(diǎn)：①采用電壓諧波啟動(dòng)控制方式，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，控制器將以最低的電壓?jiǎn)?dòng)電機(jī)，按設(shè)置的軟啟動(dòng)時(shí)間 （2～8s），平緩地提高電機(jī)電壓至全壓，減少電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊。②電機(jī)鼠籠轉(zhuǎn)子繞組的2個(gè)鑄鋁端環(huán)的圓周上有多個(gè)徑向通風(fēng)冷卻的孔，能使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩特性適當(dāng)變軟的同時(shí)而轉(zhuǎn)動(dòng)不過(guò)熱。③該電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上安裝了一個(gè)飛輪，能夠隔離各種沖擊轉(zhuǎn)矩和脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。該電機(jī)存在以下不足：①軟啟動(dòng)控制模板易損壞，對(duì)抽油機(jī)的正常運(yùn)行造成很大影響。②由于采用電壓諧波啟動(dòng)，在啟停過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生諧波，這樣會(huì)污染電網(wǎng)。

2）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況 在20口抽油機(jī)載荷變化較大的井上安裝了智能軟啟動(dòng)自動(dòng)變速電機(jī)，該電機(jī)安裝前后電參測(cè)試結(jié)果表明，平均電機(jī)功率下降了6.9kW，平均有功功率降低了1.501kW，平均單井日節(jié)電36kW·h，有功節(jié)電率為19.7%，平均功率因數(shù)提高了0.522。

2 無(wú)刷直流電機(jī)及其使用效果評(píng)價(jià)

2.1 主要技術(shù)特點(diǎn)

（1）利用電子轉(zhuǎn)向器取代機(jī)械電刷和機(jī)械轉(zhuǎn)向器，使電機(jī)運(yùn)行平滑穩(wěn)定、電壓利用率高，節(jié)電效果好。

（2）電壓范圍寬，能適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)大的油井。

（3）載特性較軟。與有刷直流電機(jī)相比，無(wú)論高速運(yùn)行還是低速運(yùn)行，其負(fù)載特性都比較軟，適用于載荷變化的抽油機(jī)。

（4）調(diào)速范圍廣。有刷電機(jī)在需要低速大電流時(shí)，炭刷壓降較大，不宜長(zhǎng)期運(yùn)行，而電機(jī)在高速時(shí)又容易產(chǎn)生換向火花，高速上限較低。而無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速范圍較寬，特別適用于變頻器調(diào)速范圍大的變頻器。

（5）電機(jī)運(yùn)行效率高。有刷直流電機(jī)需要從電網(wǎng)能量建立電機(jī)主磁場(chǎng)，再加上炭刷的損耗，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行效率低；無(wú)刷直流電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)子上永久磁鐵建立電機(jī)主磁場(chǎng)，節(jié)省了能量，因而電機(jī)運(yùn)行效率較高。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

安裝無(wú)刷直流電機(jī)后，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)電參測(cè)試，從電參測(cè)試結(jié)果看，使用該電機(jī)具有如下效果：①工作電流大幅度下降，平均工作電流由37.9A下降到25.4A，下降了12.5A。②功率因數(shù)提高 （由0.372提高到0.76），有功功率降低 （降低了4.03kW），日節(jié)電96.7kW·h，有功節(jié)電率為55.4%。③降低了交變載荷。北3－J4－60井安裝無(wú)刷直流電機(jī)前后功圖如圖3所示。由圖3可知，平均最大載荷由37.82kN降到33.62kN，下降了4.2kN，而交變載荷減少了10.84kN。

圖3 電機(jī)功圖對(duì)比 （北3－J4－60井）

［1］郭勤良，王釗，王群章，等 .稀土永磁同步電機(jī)在抽油機(jī)上的應(yīng)用分析 ［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2005，34（11）：45－47.

［2］袁謀，白連平 .關(guān)于游梁抽油機(jī)的雙繞組串聯(lián)節(jié)能電機(jī) ［J］.石油機(jī)械，2001（5）：78－80.

［3］許士真，白連平 .關(guān)于游梁抽油機(jī)合理驅(qū)動(dòng)和電機(jī)節(jié)能技術(shù)的討論 ［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2005，34（2）：13－16.