優(yōu)化抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)合理匹配降低能耗技術(shù)研究

楊紅艷（大慶油田有限責(zé)任公司第八采油廠）

1 電動(dòng)機(jī)合理匹配計(jì)算模型

電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率的原則就是在配備電動(dòng)機(jī)時(shí)，實(shí)際功率需求不超過(guò)選配電動(dòng)機(jī)額定功率[1]，即

除了滿足功率要求以外，還應(yīng)滿足最大扭矩的要求，即傳到電動(dòng)機(jī)軸的最大扭矩不應(yīng)當(dāng)超過(guò)電動(dòng)機(jī)允許的最大扭矩：

2 電動(dòng)機(jī)合理負(fù)載率的研究計(jì)算

電動(dòng)機(jī)功率合理匹配的原則是：滿足變載荷抽油機(jī)井的電動(dòng)機(jī)功率裕量要求；保證不出現(xiàn)輕載或過(guò)載的低效率高能耗問(wèn)題。保證電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，主要是確定合理負(fù)載的上下限[2]。

2.1 電動(dòng)機(jī)負(fù)載率

電動(dòng)機(jī)的平均負(fù)載程度，又稱為功率利用率，即電動(dòng)機(jī)平均軸功率P2m與其額定功率PN之比：

2.2 周期載荷系數(shù)

即考慮因抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)特性引起的軸扭矩波動(dòng)及電動(dòng)機(jī)電流波動(dòng)的影響系數(shù)，定義為電動(dòng)機(jī)電流均方根值與平均電流之比，常規(guī)游梁抽油機(jī)井CLF范圍在1.44～2.35之間。

2.3 電動(dòng)機(jī)合理負(fù)載率界限

尋求電動(dòng)機(jī)合理負(fù)載率界限必須保證電動(dòng)機(jī)在較高效率水平運(yùn)行，由此率先建立電動(dòng)機(jī)負(fù)載率與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率之間的關(guān)系：

令式中P0=P0/PN，即

電動(dòng)機(jī)效率與電動(dòng)機(jī)本身效率特性、負(fù)載率以及周期載荷系數(shù)3個(gè)因素有關(guān)（圖1）。

圖1 電動(dòng)機(jī)效率在不同CLF時(shí)隨負(fù)載率的變化曲線

分析曲線變化，負(fù)載率越高，CLF對(duì)電動(dòng)機(jī)效率的影響越大。當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載達(dá)到一定范圍后，隨負(fù)載增大電動(dòng)機(jī)內(nèi)部損耗增加，電動(dòng)機(jī)效率出現(xiàn)下降趨勢(shì)。也就是說(shuō)，電動(dòng)機(jī)具有一定的合理負(fù)載范圍，在此區(qū)間電動(dòng)機(jī)的效率可在較高水平上保持穩(wěn)定。

由電動(dòng)機(jī)效率與負(fù)載率變化可知，對(duì)于常規(guī)Y系列異步電動(dòng)機(jī)，只有當(dāng)β<0.2時(shí)，效率才明顯下降；當(dāng)β>0.2時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率不隨β增加而明顯增加，因此，抽油機(jī)井負(fù)載過(guò)輕或配備電動(dòng)機(jī)功率過(guò)大的負(fù)載率界限為0.2（圖2）。

圖2 常規(guī)異步電動(dòng)機(jī)效率在不同CLF時(shí)隨負(fù)載率的變化曲線

對(duì)于負(fù)載率合理上限，首先考慮電動(dòng)機(jī)的效率水平，其次當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載過(guò)大時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部損耗增加，同時(shí)電動(dòng)機(jī)無(wú)法滿足啟動(dòng)需求。由此可知，常規(guī)Y系列異步電動(dòng)機(jī)不過(guò)載時(shí)理論最大合理負(fù)載率為50%（圖3）。

圖3 永磁電動(dòng)機(jī)效率在不同CLF時(shí)隨負(fù)載率的變化曲線

以現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的22kW/30kW永磁同步電動(dòng)機(jī)為例，β<0.2時(shí)效率同樣明顯下降。由于效率高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，永磁電動(dòng)機(jī)在不過(guò)載情況下對(duì)應(yīng)合理負(fù)載率上限可達(dá)到70%。

由于不同類型電動(dòng)機(jī)的效率水平不同，且不同抽油機(jī)井受CLF影響程度不同，因此其所能決定的合理負(fù)載率也不相同。

通過(guò)電動(dòng)機(jī)合理負(fù)載率指導(dǎo)電動(dòng)機(jī)配置，必須考慮滿足油井電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)的要求，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)啟動(dòng)所需力矩（啟動(dòng)電流）是油井正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的數(shù)倍。油井所配電動(dòng)機(jī)必須為生產(chǎn)變化和調(diào)參措施留有一定的功率裕量，因此，油井實(shí)際的合理負(fù)載率上限需在理論基礎(chǔ)上進(jìn)行修正。計(jì)算表明，對(duì)于變載荷抽油機(jī)井，油井達(dá)到滿載時(shí)電動(dòng)機(jī)所需功率裕量為3～5kW，按此計(jì)算得出：常規(guī)Y系列異步電動(dòng)機(jī)合理負(fù)載率范圍在20%～45%；永磁同步電動(dòng)機(jī)合理負(fù)載率范圍在20%～55%。

受油井實(shí)際的電動(dòng)機(jī)規(guī)格、電動(dòng)機(jī)效率以及周期載荷系數(shù)影響，不同抽油機(jī)井實(shí)際所能取得的最大合理負(fù)載率不同。

3 電動(dòng)機(jī)合理匹配實(shí)施與效果

通過(guò)建立電動(dòng)機(jī)匹配的功率計(jì)算模型以及確定合理的負(fù)載率，進(jìn)一步指導(dǎo)永磁同步電動(dòng)機(jī)的合理匹配與調(diào)整，對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)等節(jié)能電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也起到了指導(dǎo)作用。

為達(dá)到節(jié)能效果，保證電動(dòng)機(jī)在高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行，以提高負(fù)載率為目標(biāo)，優(yōu)先匹配負(fù)載率低于20%的井；為準(zhǔn)確計(jì)算裝機(jī)功率，求得周期載荷系數(shù)，研發(fā)了可測(cè)試啟動(dòng)電流和瞬時(shí)運(yùn)行電流的電參測(cè)試儀器。

截至2008年，累計(jì)匹配436口井，占全廠抽油機(jī)井的30.13%。電動(dòng)機(jī)平均負(fù)載率提高了5.3個(gè)百分點(diǎn)，有功功率下降了1.78kW（表1），累計(jì)節(jié)電1691.8×104kWh。其中應(yīng)用永磁電動(dòng)機(jī)井平均負(fù)載率達(dá)到30.05%，提高了12.2個(gè)百分點(diǎn)。

表1 抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)合理匹配效果

2009年共匹配電動(dòng)機(jī)122口井，對(duì)比92口，平均裝機(jī)功率下降24.5kW，平均負(fù)載率由原來(lái)的21.2%提高到了30.1%，有功日節(jié)電量達(dá)到28.8kWh。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）油田進(jìn)入高含水開(kāi)發(fā)階段，對(duì)油井配置的電動(dòng)機(jī)應(yīng)根據(jù)投產(chǎn)后實(shí)際生產(chǎn)狀況進(jìn)行功率需求和負(fù)載率水平的合理界定，進(jìn)一步優(yōu)化電動(dòng)機(jī)配置，降低抽油機(jī)井能耗水平。

2）在對(duì)油井進(jìn)行電動(dòng)機(jī)合理匹配時(shí)，應(yīng)滿足啟動(dòng)功率需求和油井最大扭矩的要求，同時(shí)綜合考慮匹配后合理負(fù)載率水平，即可使電動(dòng)機(jī)保持在高效率水平。

3）研究表明，不同類別電動(dòng)機(jī)負(fù)載率與電動(dòng)機(jī)效率、周期載荷系數(shù)有關(guān)，不同類別、不同規(guī)格以及對(duì)應(yīng)不同抽汲設(shè)備的電動(dòng)機(jī)其合理負(fù)載率范圍不同。常規(guī)Y系列異步電動(dòng)機(jī)合理負(fù)載率范圍為20%～45%，永磁同步電動(dòng)機(jī)合理負(fù)載率在20%～55%。

[1]姜云晗,李鐵良,薛劍茹.合理匹配電動(dòng)機(jī)提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率[J].油田節(jié)能,2005,16(4):32-34.

[2]梁乃成.抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)功率匹配方法探討[J].石油石化節(jié)能,2012(2):23-24.