低產(chǎn)能抽油機(jī)井降沖次節(jié)能技術(shù)研究

管 菲

（中國石化中原油田分公司采油四廠，河南 濮陽 457000）

一、概述

油田開發(fā)中后期，因低產(chǎn)能、低產(chǎn)液井的大量增加，抽油機(jī)沖次只需2～4沖次/min就能滿足生產(chǎn)需要，而原來是4～8沖次/min，過剩的抽油機(jī)沖次造成電能浪費(fèi)和機(jī)械磨損增加。

抽油機(jī)的沖次與電機(jī)轉(zhuǎn)速、主動帶輪(電機(jī)帶輪)直徑成正比，與減速箱速比、從動帶輪(抽油機(jī)大帶輪)直徑成反比。

為實現(xiàn)降沖次的目的，根據(jù)電機(jī)變極調(diào)速原理，通過改變接線方式，采用繞組電流換向法，研制380V與1 140V兩個系列共14種低速及雙速抽油機(jī)電機(jī)，滿足了這部分井的生產(chǎn)需求，為抽油機(jī)井精細(xì)化調(diào)參提供了保障。

二、研究內(nèi)容

1.變極調(diào)速與其他電機(jī)調(diào)速技術(shù)相比

電機(jī)調(diào)速方式主要有5種，如表1所示，其中變極、串極、變頻調(diào)速均屬于節(jié)電效果較好的高效調(diào)速，但串級調(diào)速只適用于繞線轉(zhuǎn)子，不適用于普通Y系列的鼠籠式電機(jī)，而變極調(diào)速降沖次為臺階性降沖次，變頻降沖次為無級連續(xù)性降沖次，變極調(diào)速雖然不如變頻技術(shù)調(diào)參精細(xì)，但能滿足生產(chǎn)要求，且結(jié)構(gòu)和控制簡單便于維修和操作，經(jīng)濟(jì)性好。

表1 電機(jī)調(diào)速方法綜合性能比較表

2.電機(jī)變極調(diào)速與機(jī)械減速相比

在低產(chǎn)能抽油機(jī)井生產(chǎn)現(xiàn)場，常用的機(jī)械降沖次技術(shù)有2種。一種在主動帶輪與被動帶輪間再增加一級齒輪傳動降沖次。另一種是在主動帶輪與被動帶輪間增加一組不同直徑的帶輪降沖次。增加一級減速箱，傳動效率降低5%；增加一級皮帶傳動，傳動效率降低6%。而用電機(jī)直接降速，12極低速電機(jī)與8極電機(jī)相比，效率降低1%，16極電機(jī)與8極電機(jī)相比，效率降低2%，用電機(jī)實現(xiàn)降沖次，節(jié)能成本低，便于維修和操作。

3.低速及雙速電機(jī)變極調(diào)速

(1)變極調(diào)速原理。

Y系列籠型電動機(jī)，在電源頻率f恒定條件下，由公式可知定子繞組磁場極對數(shù)p，就可以改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n。

式中：f——電源頻率；

p——磁極對數(shù)；

n1——電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，可從電機(jī)轉(zhuǎn)速取整數(shù)后獲得。

(2)變極方法。

交流電機(jī)定子繞組磁動勢的極對數(shù)取決于繞組中電流的方向，將繞組按不同的排列連接，改變電流方向，能夠改變極對數(shù)p，獲得10、12、14、16極低速電機(jī)，倍極比(如6/12極，8/16極)雙速電機(jī)及非倍極比(如8/12極)的雙速電機(jī)。這里僅以倍極比Y280M6/12極雙速電機(jī)為例進(jìn)行說明。

采用反向法改造Y280M-6型電機(jī)，原理如圖1所示。

圖1 6/12變極原理示意圖

圖中U相繞組包含6個極相組①～⑥，V相和W相的12個極相組未畫出。按圖1(a)接線，電流方向由4到1、2，產(chǎn)生的磁極是6極，按圖1(b)接線，電流方向由1到2，產(chǎn)生的磁極是12極。比較可知，極數(shù)加倍的原因是相繞組的一半電流反了向，即電流方向由相鄰繞組的2進(jìn)2出變?yōu)?進(jìn)1出。

變極繞組采用2Y/△接法，如圖2如示。

圖2 2Y/△繞組接線圖

高速運(yùn)轉(zhuǎn)時為2Y接法，即原來的6極接法，其異步轉(zhuǎn)速為960r/min；低速運(yùn)轉(zhuǎn)時為△接法，即新改接的12極接法，其異步轉(zhuǎn)速為480r/min。

△接法比2Y接法時的異步轉(zhuǎn)速降低一半。

繞組排列如表2所示。

由表2和圖3的槽電勢矢量圖可知，6極和12極繞組排列出現(xiàn)反向，使電角度相位差順序發(fā)生變化，6極為順序，12極為逆序，如果電源相序不變，則兩種接線下的磁場旋轉(zhuǎn)方向相反。為防止游梁式抽油機(jī)曲柄銷在反轉(zhuǎn)中退扣，兩種極數(shù)轉(zhuǎn)向應(yīng)相同，使用12極時，必須改變相序，即從6極接法變成12極接法時要將3根電源線中任意2根對調(diào)。

雙速電機(jī)變極后，其特性也相應(yīng)變化，由P=Mn/9.55可知，雙速異步電動機(jī)兩種極數(shù)的功率比有以下關(guān)系：

表2 Y280M-6/12雙速電動機(jī)繞組排列

式中：PⅡ、PⅠ——電機(jī)兩種極數(shù)下的不同功率；

MⅡ、MⅠ——電機(jī)兩種極數(shù)下的不同轉(zhuǎn)矩；

nⅡ、nⅠ——電機(jī)兩種極數(shù)下的不同轉(zhuǎn)速。

不同極數(shù)時轉(zhuǎn)速n的數(shù)量關(guān)系是固定的，因此不同極數(shù)輸出功率的數(shù)量關(guān)系取決于輸出轉(zhuǎn)矩間的數(shù)量關(guān)系，2種極數(shù)的轉(zhuǎn)矩比有以下關(guān)系：

式中：pⅡ、pⅠ——電機(jī)的兩種極對數(shù)；

EⅡ、EⅠ——電機(jī)兩種極數(shù)下的相電勢；

wⅠ、wⅡ——電機(jī)兩種極數(shù)下的繞組匝數(shù)。

極對數(shù)比值pⅡ/pⅠ是固定的，相電勢比值EⅡ/EⅠ與匝數(shù)比值wⅠ/wⅡ都和繞組接法有關(guān)，對380V動力電網(wǎng)來說，Y接法時E可約取220V，△接法時E約取380V，對于6極的2Y并聯(lián)接法，wⅠ取1路的匝數(shù)，對于12極的△串聯(lián)接法，wⅡ取2路的匝數(shù)和。因此該電機(jī)的性能特點(diǎn)取決于繞組的接法，具體特性見表3。

圖3 6/12槽電勢圖

表3 6極與12極的特性對比

為了簡化現(xiàn)場操作，設(shè)計了雙速電機(jī)的高、低速自動控制電路，如圖4所示，接通電源QS，按SB1，電機(jī)被接成2Y高速運(yùn)轉(zhuǎn)，按SB3電機(jī)停轉(zhuǎn)，按SB2電機(jī)被接成△從高速轉(zhuǎn)換為低速運(yùn)轉(zhuǎn)；反之則從高速轉(zhuǎn)換為低速運(yùn)轉(zhuǎn)。由于KM1的4、6出線端和KM3的1、3出線端工作時調(diào)換了U、W相，故在兩種轉(zhuǎn)速下，抽油機(jī)都是正轉(zhuǎn)。

三、現(xiàn)場應(yīng)用案例測試

2012年10月，采油廠委托中原油田技術(shù)監(jiān)測中心對6口使用6/12、8/12極電機(jī)的抽油機(jī)井進(jìn)行測試。測試中通過改變電機(jī)的“星”或“角”接法，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，因井下參數(shù)不變，且對兩種轉(zhuǎn)速的測試沒有時間間隔，所以油井負(fù)荷近似不變，測試結(jié)果見表4。

測試表明，低速運(yùn)轉(zhuǎn)平均有功功率5.19kW，高速運(yùn)轉(zhuǎn)平均有功功率8.41kW，平均單井節(jié)電38.29%、約3.22kW。轉(zhuǎn)速降低比例為38.20%。

圖4 6/12變極自動控制電路圖

表4 電機(jī)測試綜合報告

根據(jù)P=FV可知，在井下參數(shù)不變時(負(fù)荷近似不變，即F不變)，轉(zhuǎn)速V與功率P成正比關(guān)系，實際監(jiān)測的有功節(jié)電率與理論計算的轉(zhuǎn)速降低比例基本吻合。

四、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

1.技術(shù)指標(biāo)

抽油機(jī)沖次范圍從4～8次/min拓寬到了1.9～8次/min。雙速電機(jī)的高低速轉(zhuǎn)換調(diào)沖次，人工可以在瞬間完成，也可以實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)換。適用于日產(chǎn)液量低于10t或日產(chǎn)油量低于2t的油井。

2.經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

現(xiàn)場應(yīng)用12極、16極低速及6/12、8/16極雙速電機(jī)162臺。經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測，12、16極低速運(yùn)行狀態(tài)與6、8極運(yùn)行狀態(tài)對比，單井平均有功功率降低3.22kW，年節(jié)省電費(fèi)約合28 207元/kW·h。抽油機(jī)用電為6kV以下，中原油田分公司標(biāo)準(zhǔn)綜合電價0.763 2元/kW·h，單臺年創(chuàng)效21 528元。

五、認(rèn)識與建議

(1)井下參數(shù)不變，也就是井下負(fù)載不變，抽油機(jī)配套使用低速電機(jī)與多速電機(jī)，耗電量隨沖次變化接近正比關(guān)系，符合P=FV基本原理。

(2)低產(chǎn)能井和低產(chǎn)液井配套使用低速及雙速電機(jī)，節(jié)能顯著。同時，機(jī)械磨損減少，對抽油管線平穩(wěn)運(yùn)行有利，可延長其使用壽命、節(jié)約作業(yè)費(fèi)用、減少作業(yè)占井時間。

(3)雙速電機(jī)的高低速轉(zhuǎn)換，能在瞬間完成，有利于縮短低產(chǎn)井洗井后的排液時間。

(4)雙速電機(jī)既可以滿足普通油井的生產(chǎn)需要，也可以滿足低產(chǎn)能井的生產(chǎn)需要，適應(yīng)沖次范圍比較寬，有利于減小管理成本。

(5)雙速電機(jī)配套分時調(diào)參控制箱，可以在用電低谷與高峰時，運(yùn)行高低不同的沖次參數(shù)，有利于削峰填谷措施的實現(xiàn)，節(jié)約電費(fèi)。

(6)低速電機(jī)啟動和運(yùn)行轉(zhuǎn)矩大，適用于稠油井，在負(fù)載不平衡時，它運(yùn)行電流平穩(wěn)，啟動電流小對電網(wǎng)沖擊小。