雙速電動機與變頻技術(shù)在抽油機上的應(yīng)用

馬曉薇 （大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠）

雙速電動機與變頻技術(shù)在抽油機上的應(yīng)用

馬曉薇 （大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠）

抽油機懸點載荷具有波動性，所用電動機的負(fù)載也是交替變化，為了適應(yīng)啟動時大功率需要，抽油機配備的電動機功率較大；而正常運行時其負(fù)載較輕、運行效率低，造成能耗的浪費。為了降低機采能耗，近年來在抽油機上應(yīng)用了較多的節(jié)能技術(shù)。針對現(xiàn)場應(yīng)用較多的雙速雙功率電動機和變頻控制柜兩種技術(shù)，分別對其工作原理、節(jié)能特點、實際效果、具有的優(yōu)勢等方面進(jìn)行分析與闡述。

雙功率電動機；變頻控制柜；抽油機；高效；節(jié)能

前言

游梁式抽油機作為油田生產(chǎn)中的使用量最大的一種機械設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、故障率低的特點。抽油機基本功能是為井下抽油泵提供運動動力，從一定的井深抽出一定數(shù)量的原油。常規(guī)游梁式抽油機特點是結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，可以常年累月全天候在野外工作，工作可靠,故障率低。在大慶油田中，游梁式抽油機井占整個機采井總數(shù)的80%，機采井耗電量占油田總耗電量的50%左右。抽油機節(jié)能追求的是電動機輸出功率與抽油機負(fù)載啟動與運行時所需功率的合理匹配。據(jù)資料統(tǒng)計，1臺抽油機實際運行時平均功率只占裝機容量的20%，電動機負(fù)載率約為16%，低效率的現(xiàn)狀，造成了電力能源和設(shè)備資源的浪費。由于抽油機效率與耗電量之間有著緊密關(guān)系，目前節(jié)電措施主要是提高效率和功率因數(shù)，即提高電動機的負(fù)載率。大慶油田現(xiàn)場應(yīng)用的主要節(jié)能設(shè)備有高轉(zhuǎn)差雙轉(zhuǎn)速電動機、變頻調(diào)速裝置、雙功率電動機、電磁調(diào)速電動機等。以大慶某采油廠抽油機上應(yīng)用的雙速雙功率電動機和變頻控制柜為例，對其工作原理、節(jié)能特點、實際效果、具有的優(yōu)勢等方面分別進(jìn)行分析與闡述。

1 抽油機電動機的運行特性

抽油機工作時驢頭懸點上作用的載荷是變化的，上下沖程負(fù)荷是波動的。為了減小抽油機上下沖程負(fù)荷的波動，一般在抽油機的曲柄上加平衡配重。在懸點下沖程時，依靠抽油桿柱下落所釋放出的位能，以及電動機輸出部分能量，把平衡塊從低處抬到高處，以增加平衡塊的位能；在上沖程時，平衡塊由高處下落，把下沖程時儲存的位能釋放出來，幫助電動機提升抽油桿和液柱重量，減少電動機在上沖程時所需輸出的能量。

抽油機所用的電動機工作載荷是帶沖擊的交變性載荷，與按恒定載荷設(shè)計制造的通用電動機的工作特性不相匹配。電動機其轉(zhuǎn)速隨載荷變化不大，由于抽油機負(fù)載具有波動性，在靜止?fàn)顟B(tài)啟動載荷最大，是正常運行載荷的5～6倍。為了使抽油機可靠地啟動，在抽油機上無一例外地采用了較大功率電動機和變壓器，導(dǎo)致電網(wǎng)網(wǎng)損增加，電網(wǎng)容量得不到充分利用。電動機運行功率取決于負(fù)載率，抽油機電動機正常工作都是輕載運行，但是功率并沒有什么差別，就會造成許多電能都浪費在輕載時，從而導(dǎo)致抽油機系統(tǒng)效率低，電能浪費嚴(yán)重。

2 雙速雙功率電動機技術(shù)

2.1基本原理

雙速雙功率電動機是特種異步電動機，與普通電動機的區(qū)別在于定子繞組方式不同，具有啟動繞組和工作繞組兩套繞組。它利用換相變極繞組，通過改變接線方式，使之成為有抽頭的串聯(lián)繞組，實現(xiàn)電動機極數(shù)變化，從而改變了電動機轉(zhuǎn)速，再由控制器完成兩種功率的自動切換。當(dāng)抽油機啟動時，要求電動機拖動的啟動力矩是抽油機正常運轉(zhuǎn)時的5～6倍，甚至?xí)?。所以，雙速雙功率電動機就是當(dāng)抽油機啟動時以高功率運行，一旦電流降低到低功率運行時，由控制器自動切換至小功率狀態(tài)運行，避免造成過載現(xiàn)象導(dǎo)致能量損耗。它是在Y系列電動機的基礎(chǔ)上改造而成，將Y系列的一套繞組重新設(shè)計成兩套繞組，即一個多匝繞組和一個少匝繞組。多匝繞組的功率大，少匝繞組的功率小，滿載時多匝繞組運行，輕載時兩個繞組串聯(lián)運行，這樣電動機在啟動和運行過程中就可以獲得較好的效果。雙功率電動機適用于舊電動機的節(jié)能改造，可以組織回收普通Y系列電動機到廠家進(jìn)行改造，可達(dá)到既節(jié)約資金又節(jié)電的效果。

2.2特點

雙速雙功率電動機的啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小，降低了電動機的鐵損、機械損等這些固定損耗；提高電動機利用率，保證電動機具有較高的效率、功率因數(shù)；適合于啟動時負(fù)荷較重，正常運行時低功率運行的特點；可以降低抽油機的裝機功率，節(jié)能效果明顯。雙速雙功率電動機配備2組皮帶輪，4個沖速，也為調(diào)參帶來方便。

2.3應(yīng)用效果

在大慶油田某采油隊所安裝的60臺高啟動轉(zhuǎn)矩雙速雙功率電動機應(yīng)用效果對比表[1]（表1）中可以看出，抽油機系統(tǒng)效率上升4.16個百分點，功率因數(shù)由 0.48提高到 0.59，有功功率降低了 2.74 kW，百米噸液耗電降低了0.44 kWh，總節(jié)電率按原有標(biāo)準(zhǔn)上升了15.5個百分點，節(jié)能效果明顯。由此可見，雙速雙功率電動機是抽油機節(jié)能的一個重要部分，既可以提高抽油機系統(tǒng)效率又可降低有功功率，實現(xiàn)真正意義上的節(jié)能降耗。

表1 高啟動轉(zhuǎn)矩雙速雙功率電動機應(yīng)用前后效果對比

3 抽油機變頻技術(shù)

3.1變頻技術(shù)的基本原理

變頻調(diào)速技術(shù)，通過傳感器的應(yīng)用進(jìn)行模糊控制，變頻調(diào)速電動機能夠根據(jù)負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)頻率，從而最大限度減少輸出功率，達(dá)到節(jié)能目的。在抽油機井生產(chǎn)過程中，通過調(diào)整變頻器內(nèi)部的參考頻率來保持恒定的沖程次數(shù)，并根據(jù)電流頻率的變化，對抽油機的冗余電能進(jìn)行優(yōu)化傳遞，減少其中的電能損耗，使得采油效率始終保持一個最佳的狀態(tài)，有效地消除了設(shè)備空耗的現(xiàn)象。

3.2變頻控制柜特點及其使用效果

抽油機的變頻控制柜在采油管理中應(yīng)用，可以低速輕載啟動[2]，實現(xiàn)抽油機的軟啟動，減少設(shè)備直接啟動時大電流對電動機的損害，實現(xiàn)電流保護(hù)、過電壓保護(hù)；能夠減少因工頻頻率直接啟動造成電動機以及電纜的絕緣損壞，減少維修次數(shù)，延長使用年限；具有良好的安全性能，有效控制抽油機運轉(zhuǎn)速度，減少運轉(zhuǎn)部分的機械磨損疲勞，避免過壓、過載等現(xiàn)象的發(fā)生；實現(xiàn)上快下慢的工作狀態(tài)，讓頻率在最低點和最高點之間進(jìn)行合理分段工作，降低空耗。另外，變頻器還有把能量回饋給電網(wǎng)的功能，大大增加了采油運行設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益。

大慶油田某采油礦近年來共在180口井上安裝了變頻控制柜，安裝前后數(shù)據(jù)對比分析表（表2）可知，有功功率和無功功率與安裝前相比都有所降低，功率因數(shù)由0.48升高到0.62，日節(jié)電35.66 kWh，綜合節(jié)電率提高了18.72%。

表2 抽油機變頻控制柜應(yīng)用效果對比

4 結(jié)論

抽油機在油田采油生產(chǎn)中的位置舉足輕重，要想讓油田經(jīng)濟(jì)效益得到最大化，增效節(jié)能勢在必行。從雙速雙功率電動機以及多功能變頻控制柜的使用效果看，抽油機的穩(wěn)定工作，實現(xiàn)機采系統(tǒng)增效及節(jié)能目標(biāo)，是機采系統(tǒng)節(jié)能降耗的重要技術(shù)手段之一。

[1]朱榮杰.雙速雙功率電動機及多功能調(diào)速原理與應(yīng)用[R].（2015.8）[2015.11].

[2]劉英凡.變頻電氣控制柜的節(jié)能原理與效益[J].現(xiàn)代企業(yè)教育,2012（8S）:258.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.10.009

2016-04-16

（編輯 王艷）

馬曉薇，2013年畢業(yè)于東北林業(yè)大學(xué)，從事油田地面、采油技術(shù)與節(jié)能工作，E-mail：maxiaowei_a@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠第四油礦，163001。