抽油機(jī)變頻節(jié)能分析研究

羅如山 康博 劉美 陳金鵬

【摘 要】抽油機(jī)是石化企業(yè)常用的地面動(dòng)力傳動(dòng)設(shè)備，抽油機(jī)等設(shè)備裝置的節(jié)能方法成為石化企業(yè)重點(diǎn)討論和研究的對(duì)象。文章對(duì)抽油機(jī)及動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行原理分析及計(jì)算，分析每個(gè)裝置在不同情況的效率計(jì)算公式，增加變頻調(diào)速裝置來完善電動(dòng)機(jī)的效率，同時(shí)對(duì)其中的機(jī)械與電氣環(huán)節(jié)進(jìn)行改良。通過設(shè)計(jì)變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)，在運(yùn)行的基礎(chǔ)上分析其實(shí)際的能耗數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)有助于提升節(jié)能效果及經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到了很好的效果。

【關(guān)鍵詞】抽油機(jī)；節(jié)能；變頻

【中圖分類號(hào)】TE933.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）12-0037-03

0 引言

抽油機(jī)在石化企業(yè)的使用已經(jīng)有接近百年的歷史，是常用的地面動(dòng)力傳動(dòng)設(shè)備，它是“三抽”系統(tǒng)的重要組成部分并承擔(dān)著主要作用。在抽油機(jī)的范圍內(nèi)，游梁式抽油機(jī)的使用時(shí)間最長(zhǎng)，使用率高，并且使用范圍和區(qū)域也非常廣，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，維護(hù)容易而且成本低，因此現(xiàn)在有許多產(chǎn)油企業(yè)仍然在大范圍地使用它，這也是游梁式抽油機(jī)百年來受歡迎的原因。但是，隨著一些油田石化企業(yè)進(jìn)入開發(fā)后期，油井含油量不斷下降，含水量在上升，使得石油開采的生產(chǎn)成本也在不斷地增加，因此當(dāng)前需要解決的問題還是開發(fā)研究抽油機(jī)節(jié)能設(shè)備，以提升抽油的效率，減少抽油的損耗。

從20世紀(jì)70年代開始，研究人員已經(jīng)開始研究一些新型具有節(jié)能功效的抽油機(jī)來降低采油的生產(chǎn)成本，其中有桿抽油技術(shù)取得了實(shí)質(zhì)性的突破，因此在最近的30年中，科學(xué)研究人員設(shè)計(jì)并且開發(fā)了具備節(jié)能效果的改進(jìn)型抽油機(jī)。這些節(jié)能型抽油機(jī)可以最大限度地實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源，提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益，取得良好的社會(huì)效益。采用節(jié)能技術(shù)，不但可以減少動(dòng)力的損耗，還可以增強(qiáng)抽油機(jī)的性能，提升了其動(dòng)力特性。此外，采用節(jié)能型抽油機(jī)可以減小抽油機(jī)的質(zhì)量和占地面積，提高抽油機(jī)的使用率，并且使其具備智能化等。

節(jié)能設(shè)備的驅(qū)動(dòng)包含了改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及其機(jī)械特性，要設(shè)計(jì)出一種電動(dòng)機(jī)與抽油機(jī)工作特性匹配，并適應(yīng)于抽油機(jī)所處環(huán)境。如果要提升電動(dòng)機(jī)的效率，需要改變電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)與轉(zhuǎn)差率，功率因數(shù)的增加，可以反映電動(dòng)機(jī)的節(jié)能效果，而轉(zhuǎn)差率高的電動(dòng)機(jī)同樣可以達(dá)到節(jié)能的效果。傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率一般低于0.05，較高轉(zhuǎn)差率的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率一般在0.1～0.13之間，可以使用更高轉(zhuǎn)差率的電動(dòng)機(jī)來替代以前的電動(dòng)機(jī)。

1 電動(dòng)機(jī)節(jié)能工作原理

從原理和電機(jī)工作特性上來講，電動(dòng)機(jī)的選擇是由其機(jī)械特性及負(fù)載特性決定的。電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)隨負(fù)載變化的曲線如圖1所示。

圖1中，PN代表額定功率，P2代表電動(dòng)機(jī)的輸出功率，功率因數(shù)是cosf，效率為η。我們假設(shè)β=P2/PN為系統(tǒng)的負(fù)載率，β的取值范圍處于0.75～1.00的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率接近額定負(fù)載時(shí)的功率因數(shù)和效率。如果β的取值范圍處于0.50～0.60，電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)將會(huì)降低11%～14%，同時(shí)效率降低3.5%～4.5%；如果β的取值范圍小于0.40的時(shí)候，功率因數(shù)降低21%～29%，而效率降低很大，達(dá)到10.5%～14.5%。這也就是抽油機(jī)在使用異步電動(dòng)機(jī)時(shí)所存在的問題，絕大多數(shù)時(shí)間運(yùn)行效率和功率因數(shù)低。因此，只能讓電動(dòng)機(jī)保持在較穩(wěn)定狀態(tài)下的負(fù)荷，才能符合抽油機(jī)所需要的額定的功率，同時(shí)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)方可以更加接近1。

根據(jù)上面的分析可知，抽油機(jī)工作效率不高的原因是抽油機(jī)工作特性和它所用的異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特征性能不完全匹配。

2 抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)功率的計(jì)算

抽油機(jī)的工作效率與交流異步電動(dòng)機(jī)的很多參數(shù)有關(guān)，這些參數(shù)除了電動(dòng)機(jī)自身的額定輸出機(jī)械功率的數(shù)值和各種額定電氣參數(shù)的數(shù)值外，還與電動(dòng)機(jī)所帶的負(fù)載機(jī)械特性有著密切的關(guān)系。在交流異步電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率的數(shù)值低于額定功率的數(shù)值很多的情況下，這時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的工作效率比較低，從而降低了整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。此外，由于一些特殊原因引起的效率低下，例如啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大的時(shí)候，帶動(dòng)比較小的負(fù)載或者選擇小功率異步電動(dòng)機(jī)機(jī)作為控制對(duì)象，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)不匹配的現(xiàn)象。在整個(gè)電動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械功率大致相同的同時(shí)，電機(jī)在各個(gè)部分消耗能量的大小和形式是有所不同的，它最終的表現(xiàn)為鐵損、銅損、機(jī)械損耗及其他損失。從抽油機(jī)的角度分析消耗的能量，是由于抽油機(jī)的工作狀況和交流電機(jī)使用情況不匹配，并且異步電動(dòng)機(jī)和游梁式抽油機(jī)工作狀況相差較大，所以在抽油機(jī)所帶的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)所提供的速度沒有進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以致電機(jī)輸出的功率沒有得到很好地利用，實(shí)際輸出的能量不少，但大部分能量都沒有得到有效地利用。從機(jī)械的角度看，大部分能量會(huì)在機(jī)械裝置的內(nèi)部應(yīng)力中（峰值阻力矩高）被消耗，因此整體系統(tǒng)耗電量不低。抽油機(jī)采用的異步電動(dòng)機(jī)的輸出機(jī)械特性與負(fù)載特性決定了它的工作效果。下面分析異步電動(dòng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩之間的聯(lián)系。

M=9550■（1）

公式（1）中：M表示轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；N為電動(dòng)機(jī)額定功率，單位為kW；n為懸點(diǎn)沖次，單位為min-1；η為電動(dòng)機(jī)效率，η=η1×η2；η1為傳送帶傳動(dòng)效率；η2為變速箱傳動(dòng)效率。

則電動(dòng)機(jī)的額定功率如公式（2）。

N=■（2）

從公式（2）可以看出，電動(dòng)機(jī)的額定功率與轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的值有關(guān)，在負(fù)載不變的情況下，與兩者的乘積呈正比關(guān)系。如果負(fù)載發(fā)生改變，那么上述計(jì)算方式也要改變。如果按照上面公式計(jì)算，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行效率較低，影響系統(tǒng)節(jié)能效果。在這種情況下，需要改用下面的公式進(jìn)行分析和計(jì)算。電動(dòng)機(jī)功率與轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如公式（3）。

Nr=■（3）

公式（3）中：Nr為需要的電動(dòng)機(jī)額定功率，單位為kW；n為懸點(diǎn)沖次，單位為min-1；η為電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)效率；Me為均方根轉(zhuǎn)矩，單位為N·m。

上面公式里出現(xiàn)的均方根轉(zhuǎn)矩，它也可以用等效法進(jìn)行等效。具體操作是在電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生熱量一致的情況下，那我們可以用瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩來等效均方根轉(zhuǎn)矩的算法。

Me=■=■（4）

公式（4）中：M為曲柄軸實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩，單位為N·m，θ為曲柄轉(zhuǎn)角。在進(jìn)行計(jì)算的過程中，△θ的取值越小，那么相應(yīng)計(jì)算結(jié)果會(huì)更加精確。

周期載荷系數(shù)（CLF）表達(dá)式如公式（5）。

CLF=■=■（5）

公式（5）中：Mi為曲柄在i的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩，單位為N·m。

3 抽油機(jī)變頻節(jié)能分析

電動(dòng)機(jī)的節(jié)能在石化企業(yè)至關(guān)重要，我們一般使用節(jié)電率衡量電動(dòng)機(jī)節(jié)能的性能。它表示了電動(dòng)機(jī)下降功率與有功功率的比值。公式如下。

ψ=■%（6）

公式（6）中：ψ為節(jié)電率；N，Ne為改造前、后電機(jī)的輸出功率，單位為kW。

由公式（3）可知，Me的值越低，Nr的值越低，電機(jī)的輸出功率變低?？梢钥闯觯瑥纳厦婀降那蠼?，可以看出電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)發(fā)生改變，輸出功率下降，從而消耗的電能減少。而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變化的平穩(wěn)性增加，電動(dòng)機(jī)的工作狀況得到很好的改良，提高了工作效率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

改良以后的抽油機(jī)變頻節(jié)能效果可以通過對(duì)其中的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。改造以前，平均有功功率為6.6 kW，改造后為6.1 kW，節(jié)約電能約7%。單井每天節(jié)約電能10 kW·h，那么540口油井一年節(jié)約電能達(dá)到10 kW·h。同時(shí)，對(duì)其控制柜進(jìn)行改良，改良前，平均有功功率為9.5 kW，改造后為8.4 kW，節(jié)電率達(dá)到11%。從以上分析可以看出，運(yùn)用變頻調(diào)節(jié)可以節(jié)約電能。

以全天24 h運(yùn)行的中小型抽油機(jī)配套的75 kW異步電動(dòng)機(jī)為例，企業(yè)增加75 kW異步電動(dòng)機(jī)配置抽油機(jī)變頻節(jié)能控制設(shè)備成本約6萬元。每臺(tái)抽油機(jī)年平均節(jié)約用電量為15 kW·h。每年節(jié)電為15萬kW·h×11%=16 500 kW·h。現(xiàn)在根據(jù)調(diào)查地區(qū)工業(yè)用電的價(jià)格為0.975元/kW·h，這樣單臺(tái)設(shè)備每年節(jié)約電費(fèi)為16 500×0.975=16 087.5元。運(yùn)用此技術(shù)還可以節(jié)省其他設(shè)備（如軟啟動(dòng)裝置及保護(hù)裝置等）所需的費(fèi)用2 000元。那么，節(jié)省的總費(fèi)用為18 087.5元，投資的回收周期為60 000/18 080≈3.3年。

從以上分析可以看出，投入變頻節(jié)能裝置不但可以從實(shí)質(zhì)上達(dá)到節(jié)能的效果，而且可以使投資回收周期變短，從而獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 總結(jié)

石化企業(yè)電動(dòng)機(jī)節(jié)能越來越受到重視，抽油機(jī)等設(shè)備裝置的節(jié)能方法更成為石化企業(yè)重點(diǎn)討論和研究的對(duì)象。本文通過計(jì)算和分析，分析每個(gè)裝置在不同情況的效率計(jì)算公式，增加變頻調(diào)速裝置來完善電動(dòng)機(jī)的效率，同時(shí)對(duì)其中的機(jī)械與電氣環(huán)節(jié)進(jìn)行改良，使得最后綜合效率提高，達(dá)到企業(yè)生產(chǎn)的需要。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]鐘平，李正平，黃建輝，等.抽油機(jī)井高效節(jié)能技術(shù)[J].國外油田工程，2002（2）：32-35.

[2]張卓.基于LabVIEW的油田注水泵變頻遠(yuǎn)控系統(tǒng)[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2016（8）.

[3]陳立國.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2012.

[4]JR.Eickmeier.Pumping Well Optimization Techniques[J].The Journal of Canadian Petroleum，2013（6）：4-6.

[5]R.Saidur.Renewable and Sustainable Energy Reviews[J].2009，14（3）：877-898.

[6]阮毅.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]