集多種節(jié)能技術(shù)的油田油井電動機節(jié)能裝置的研究

陳霞 王炳剛 姜志宏

【摘要】本文針對油田油井電動機負載特性，提出了集調(diào)壓節(jié)能技術(shù)、無功就地補償節(jié)能技術(shù)和間歇式抽取節(jié)能技術(shù)一體的油田油井電動機節(jié)能的方法，在此基礎(chǔ)上研制出獨具特色的油田油井電動機節(jié)能裝置。試驗測試結(jié)果表明，該節(jié)能裝置節(jié)能效果顯著。

【關(guān)鍵詞】單片機；可控硅；調(diào)壓節(jié)能；間歇式抽取

1引言

油田抽油機是石油生產(chǎn)的主要設(shè)備，也是主要的耗能設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計在油田生產(chǎn)成本中約有三分之一為電能消耗，目前在油田油井電動機的供配電系統(tǒng)中，存在三方面的問題。即：“大馬拉小車”的問題、半抽甚至空抽的問題、功率因數(shù)低的問題。這三個問題的存在，使拖動系統(tǒng)存在著嚴重的電能損耗，末端供電質(zhì)量降低，電動機不能處于經(jīng)濟運行狀態(tài)，造成嚴重的能源浪費。

針對這三個問題，我們分別采用了調(diào)壓節(jié)能技術(shù)、無功就地補償節(jié)能技術(shù)、間歇式抽取節(jié)能技術(shù)，并利用電力電子技術(shù)和微電腦技術(shù)，實現(xiàn)對油田油井電動機瞬態(tài)跟蹤，動態(tài)調(diào)壓，時時保持電動機在安全、經(jīng)濟狀態(tài)下運行，有效地減少電動機供電系統(tǒng)的電能浪費。

2節(jié)能裝置的工作原理

2.1調(diào)壓節(jié)能技術(shù)

2.1.1最小電流理論

對任意一臺電動機工作于不同負載時都存在其節(jié)能點，該節(jié)能點具有最小電流的特點。即：當(dāng)某一電動機負載一定時，在一定范圍內(nèi)電壓降低電流呈現(xiàn)先降低后升高的現(xiàn)象，電流出現(xiàn)最小值的點為節(jié)能點。

2.1.2電動機節(jié)能點處功率損耗分析

電動機的主要損耗為銅損耗、鐵損耗、機械損耗和雜散損耗。機械損耗和雜散損耗與電動機的結(jié)構(gòu)有關(guān)，約占電動機總損耗的20％；定子銅損耗和轉(zhuǎn)子銅損耗分別與定子電流和轉(zhuǎn)子電流的平方成正比；鐵損與定子電壓的平方成正比。顯然，在節(jié)能點處，銅損耗和鐵損耗之和具有最小值。

2.2間歇式抽取節(jié)能技術(shù)

根據(jù)油田油井實際原油產(chǎn)出量的多少，通過微電腦智能控制調(diào)整電動機運行時間和停止時間，實現(xiàn)電動機的間歇式抽取，保證油田油井電動機的每一次抽取都是滿載，減少低效或無效抽取，達到節(jié)能的目的。

2.3無功就地補償節(jié)能技術(shù)

針對功率因數(shù)低的情況，就地并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娙?，為油田油井電動機直接進行無功功率補償，實現(xiàn)無功就地補償節(jié)能技術(shù)。

3節(jié)能裝置的實現(xiàn)

3.1 節(jié)能裝置的硬件設(shè)計

根據(jù)電動機在節(jié)能點處有最小電流的理論，單片機通過采樣電路對電動機的工作電流實時檢測，跟蹤負載的變化，計算電壓調(diào)整率，再通過觸發(fā)電路觸發(fā)調(diào)整串接在三相電源與電動機定子電路上的三對反并聯(lián)大功率晶閘管的導(dǎo)通角，動態(tài)調(diào)整電動機的輸入電壓，確保電動機時時經(jīng)濟工作狀態(tài)下運行，降低電動機自身的功率損耗。

3.2節(jié)電器主要功能電路

本節(jié)能器的主要功能模塊電路有復(fù)位電路、供電電源電路、電路運行前參數(shù)檢測電路、過零檢測電路、電流采樣檢測電路、晶閘管觸發(fā)電路。

4試驗結(jié)果與分析

選取了額定功率為4KW的電動機做測試，將節(jié)能裝置接入電動機進行調(diào)壓節(jié)能，測得在不同負載率下的試驗數(shù)據(jù)，如下表l所示：

表1調(diào)壓節(jié)電試驗數(shù)據(jù)

控制器參數(shù) 綜合檢測控制器

電動機狀態(tài) 電壓

(V) 電流

(A) 功率因數(shù)

cosФ 有功功率

（KW） 轉(zhuǎn)速

n 負載率

β 節(jié)電率

(%)

額定狀態(tài)1 380 3.50 0.12 0.26 1460 空載 54.55%

節(jié)能狀態(tài)1 168 1.60 0.26 0.12 1460 空載

額定狀態(tài)2 380 3.52 0.19 0.43 1460 5% 44.44%

節(jié)能狀態(tài)2 184 1.90 0.4 0.24 1459 5%

額定狀態(tài)4 380 3.70 0.39 0.96 1458 15% 18.75%

節(jié)能狀態(tài)4 200 3.20 0.70 0.78 1440 15%

額定狀態(tài)6 380 4.04 0.54 1.44 1450 25% 8.33%

節(jié)能狀態(tài)6 240 3.80 0.85 1.32 1436 25%

由試驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著負載率的減小，節(jié)能效果越來越顯著，電動機空載時節(jié)能效果最明顯，因此，利用降低電動機端電壓的方法進行節(jié)能技術(shù)適用于電動機在空載或輕載狀態(tài)。

表2并聯(lián)電容前后試驗數(shù)據(jù)

負載率 10% 15% 20% 25%

調(diào)壓節(jié)電后

的功率因數(shù) 0.65 0.7 0.83 0.85

調(diào)壓基礎(chǔ)上再并聯(lián)

電容后的功率因數(shù) 0.89 0.9 0.84 0.86

由表2中數(shù)據(jù)可知，在調(diào)壓基礎(chǔ)上再并聯(lián)電容，能使油田抽油機供電系統(tǒng)的功率因數(shù)得到提高。

抽油機工作于液體量較少的枯井時，在使用前兩種節(jié)電技術(shù)的基礎(chǔ)上再添加間歇式抽油技術(shù)，還能節(jié)省一部分電能，而且還可以減少機器的磨損，延長其使用壽命，提高其工作的效率。

綜合以上三種節(jié)能技術(shù)于一體的節(jié)電器，最大限度的達到節(jié)能的目的。

5總結(jié)

該節(jié)能裝置可自動跟蹤、檢測電動機負載的變化，動態(tài)調(diào)整電機的供電電壓，使電動機在經(jīng)濟狀態(tài)下運行，特別是在輕載和變負載情況下節(jié)能效果顯著。該節(jié)能裝置還具有軟起動、軟停車、缺相保護、過載保護等多種功能。實驗證明該電動機節(jié)能裝置節(jié)能效果顯著、運行可靠，有較廣闊的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

參考文獻：

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