抽油機(jī)井節(jié)能電動(dòng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和效果分析*

辛宏 李樓樓 楊海濤 張磊 劉濤 韓二濤

（1.低滲透油氣藏國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；2.長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院）

抽油機(jī)井節(jié)能電動(dòng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和效果分析*

辛宏1，2李樓樓1，2楊海濤1，2張磊1，2劉濤1，2韓二濤1，2

（1.低滲透油氣藏國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；2.長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院）

為了提高抽油機(jī)井拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)效率，長(zhǎng)慶油田引進(jìn)了多種節(jié)能電動(dòng)機(jī)，如雙功率電動(dòng)機(jī)、交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)、三相異步電動(dòng)機(jī)+變頻、繞線式轉(zhuǎn)子變頻電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等，但各種電動(dòng)機(jī)之間缺乏綜合性能比較，為此在機(jī)采節(jié)能技術(shù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)上開展了六種電動(dòng)機(jī)空載、帶載啟動(dòng)、不同平衡狀態(tài)下節(jié)能性能對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果顯示，與三相異步電動(dòng)機(jī)相比，應(yīng)用節(jié)能電動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)通過(guò)提高電動(dòng)機(jī)效率帶動(dòng)系統(tǒng)效率提升2～3個(gè)百分點(diǎn)，其中開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，空載損耗小、自身效率高、在平衡狀態(tài)下耗電量最小，系統(tǒng)效率最高，更適合游梁式抽油機(jī)工況。

節(jié)能電動(dòng)機(jī)；游梁式抽油機(jī)；空載損耗；負(fù)載啟動(dòng)特性；系統(tǒng)效率

游梁式抽油機(jī)承受一種帶有沖擊性的周期交變載荷，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，這種負(fù)載要求導(dǎo)致拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率大，抽油機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，又處于輕載狀態(tài)，負(fù)載率低，電動(dòng)機(jī)效率低[1]。大部分抽油機(jī)功率利用率低于25%，從而造成其運(yùn)行效率低。為了提高抽油機(jī)拖動(dòng)裝置運(yùn)行效率，要求選用的電動(dòng)機(jī)具有以下特性：?jiǎn)?dòng)扭矩大、啟動(dòng)電流小；高效區(qū)間寬，而不僅僅是高效點(diǎn)；有短時(shí)過(guò)載能力。

目前，長(zhǎng)慶油田抽油機(jī)在用有多種節(jié)能電動(dòng)機(jī)，包括雙功率電動(dòng)機(jī)、交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)、三相異步電動(dòng)機(jī)+變頻、繞線式轉(zhuǎn)子變頻電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，每種電動(dòng)機(jī)文獻(xiàn)上都有性能介紹，但缺乏電動(dòng)機(jī)之間的綜合性能比較，到底哪一種更適合長(zhǎng)慶油田的工況，節(jié)能效果更顯著，為了清楚這個(gè)問(wèn)題，在機(jī)采節(jié)能技術(shù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)上開展了六種電動(dòng)機(jī)對(duì)比試驗(yàn)。

1 測(cè)試電動(dòng)機(jī)原理及特點(diǎn)

對(duì)比測(cè)試的六種電動(dòng)機(jī)均為長(zhǎng)慶油田在電動(dòng)機(jī)。如表1所示，首先介紹各種電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)和原理特點(diǎn)。

1.1 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)

磁阻電動(dòng)機(jī)與電子開關(guān)驅(qū)動(dòng)控制器組成一體的控制裝置，轉(zhuǎn)子是由硅鋼片壓制而成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于高速和環(huán)境惡劣場(chǎng)合。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)均具有較高的效率?？刂茀?shù)多，控制方式靈活[2]。瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，噪聲的問(wèn)題較突出。

1.2 交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由稀土永磁材料和起動(dòng)鼠籠組成。轉(zhuǎn)子損耗比普通異步電動(dòng)機(jī)小，因此電動(dòng)機(jī)本身的效率比普通電動(dòng)機(jī)高約 5%，功率因數(shù)能達(dá)到 0.9以上，其額定運(yùn)行機(jī)械特性比普通電動(dòng)機(jī)還硬。起動(dòng)電流大，起動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩有振蕩。稀土永磁電動(dòng)機(jī)的價(jià)格比普通電動(dòng)機(jī)高約1倍，并且目前稀土永磁電動(dòng)機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)退磁現(xiàn)象[3]。

1.3 三相異步電動(dòng)機(jī)+變頻

采用變頻調(diào)速控制，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)可提高到0.9以上，從而減輕了電網(wǎng)及變壓器的負(fù)擔(dān)，降低了線損。變頻器本身有功率損耗，變頻器的諧波對(duì)電網(wǎng)也有影響，并會(huì)使電動(dòng)機(jī)附加損耗增大[4]。

1.4 繞線式轉(zhuǎn)子變頻電動(dòng)機(jī)

由繞線式電動(dòng)機(jī)、變頻裝置及逆變裝置組成，電網(wǎng)接入電動(dòng)機(jī)定子端，改變轉(zhuǎn)子端電流頻率實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速，轉(zhuǎn)子端輸出交流電先變換成直流電，再逆變成與電網(wǎng)同頻同相的交流電回饋電網(wǎng)。具有易于控制、啟動(dòng)力矩大、過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。轉(zhuǎn)子繞組和滑環(huán)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行可靠性降低[5]。

表1 測(cè)試六種電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)表

1.5 雙功率電動(dòng)機(jī)

雙功率電動(dòng)機(jī)與普通電動(dòng)機(jī)的區(qū)別在于定子繞組不同，定子繞組是1個(gè)串聯(lián)繞組，通過(guò)1個(gè)電流檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)繞組的自動(dòng)切換。起動(dòng)時(shí)可投入大功率繞組，運(yùn)行時(shí)可投入小功率繞組，小功率繞組的效率和功率因數(shù)都很高，雙功率電動(dòng)機(jī)適合于舊電動(dòng)機(jī)節(jié)能改造，其缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的制造難度和成本增加了[6]。

2 測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)

機(jī)采節(jié)能技術(shù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)是依托1口生產(chǎn)井搭建的，該系統(tǒng)由信號(hào)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理及評(píng)價(jià)系統(tǒng)兩部分組成。

圖1 抽油機(jī)測(cè)試點(diǎn)分布圖

1）信號(hào)采集系統(tǒng)由測(cè)試點(diǎn)上的各種傳感器和測(cè)試裝置組成，即對(duì)試驗(yàn)井上各測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)采集，如圖1所示，測(cè)試點(diǎn)包括控制柜輸入端電參數(shù)據(jù)、控制柜輸出端電參數(shù)據(jù)、電動(dòng)機(jī)軸輸出端扭矩和轉(zhuǎn)速、動(dòng)液面、示功圖和油套壓等參數(shù)。測(cè)試儀器：載荷位移傳感器、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、回聲儀、電能質(zhì)量測(cè)試儀、壓力計(jì)、三相四線數(shù)字式電度表，試驗(yàn)井基本參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)井基礎(chǔ)參數(shù)

2）數(shù)據(jù)處理評(píng)價(jià)系統(tǒng)主要功能可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)控制、計(jì)算電功率參數(shù)、變頻下諧波參數(shù)、電動(dòng)機(jī)輸出功率、泵功圖診斷及各節(jié)點(diǎn)效率和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行評(píng)價(jià)。測(cè)試依據(jù)SY/T 5264—2012《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測(cè)試和計(jì)算方法》、GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》、GB/T 10069.3—2006《旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)噪聲測(cè)定方法及限值》。

3 測(cè)試內(nèi)容

試驗(yàn)井在相同工作制度下，即沖速4 min-1、沖程2.5 m保持不變，分別開展六種電動(dòng)機(jī)的空載、負(fù)載啟動(dòng)、三種平衡狀態(tài)下能耗等對(duì)比測(cè)試。

3.1 空載損耗

相同功率等級(jí)下，測(cè)試六種電動(dòng)機(jī)空載時(shí)控制器輸入電流（表3），三相異步電動(dòng)機(jī)和雙功率電動(dòng)機(jī)不能調(diào)速，只測(cè)試額定轉(zhuǎn)速下空載有功功率，其余四種電動(dòng)機(jī)分別測(cè)試了在不同轉(zhuǎn)速下有功功率值，對(duì)比可見開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的空載損耗小、自身效率高。

表3 不同系統(tǒng)空載有功功率測(cè)試對(duì)比

表4 最大啟動(dòng)電流對(duì)比

表5 三種平衡狀態(tài)下六種電動(dòng)機(jī)節(jié)能評(píng)價(jià)

3.2 負(fù)載啟動(dòng)特性

對(duì)比最大啟動(dòng)電流值（表4），交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)、繞線式轉(zhuǎn)子變頻電動(dòng)機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī)+變頻最大啟動(dòng)電流值較小，原因是其具有軟起動(dòng)功能，對(duì)設(shè)備沖擊小，滿足抽油機(jī)帶載啟動(dòng)要求。

3.3 六種電動(dòng)機(jī)節(jié)能評(píng)價(jià)

三種平衡狀態(tài)是以三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)試確定，并記錄好曲柄塊位置，更換其它類型電動(dòng)機(jī)后，通過(guò)調(diào)整曲柄塊位置對(duì)平衡狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。由于油井屬于間歇出液，應(yīng)用系統(tǒng)效率測(cè)試儀測(cè)試的有功功率存在一定波動(dòng)，根據(jù)SY/T 5264—2012《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測(cè)試和計(jì)算方法》，這里計(jì)算機(jī)采系統(tǒng)效率所用數(shù)據(jù)為電表連續(xù)測(cè)試24 h反算的有功功率值。有效功率計(jì)算公式中的產(chǎn)液量應(yīng)用的是功圖計(jì)量系統(tǒng)計(jì)算的日產(chǎn)液量。

從表5可見，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)、繞線式轉(zhuǎn)子變頻電動(dòng)機(jī)三種電動(dòng)機(jī)與三相異步電動(dòng)機(jī)相比，百米噸液耗電量均有較大幅度的降低。平衡狀態(tài)下，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)百米噸液耗電量最小，系統(tǒng)效率最高。繞線式轉(zhuǎn)子變頻電動(dòng)機(jī)，具有電能回饋系統(tǒng)，在欠平衡和過(guò)平衡狀態(tài)下，百米噸液耗電量最小，系統(tǒng)效率最高。

4 結(jié)論

1）與三相異步電動(dòng)機(jī)相比，應(yīng)用節(jié)能電動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)通過(guò)提高電動(dòng)機(jī)效率帶動(dòng)系統(tǒng)效率提升的目的。在選擇節(jié)能電動(dòng)機(jī)時(shí)，除節(jié)電效果外，還需考量電動(dòng)機(jī)全生命周期費(fèi)用。

2）開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，空載損耗小、自身效率高。平衡狀態(tài)下百米噸液耗電量最小，系統(tǒng)效率最高，相比較更適合游梁式抽油機(jī)工況，但需要增加軟啟動(dòng)功能。

3）繞線式轉(zhuǎn)子變頻電動(dòng)機(jī)，具有電能回饋系統(tǒng)，在欠平衡和過(guò)平衡狀態(tài)下，百米噸液耗電量最小，系統(tǒng)效率最高。

4）三相異步電動(dòng)機(jī)+變頻通過(guò)改變沖速省電，在相同沖速下比較時(shí)有功功率最高，最耗電。

[1]甘慶明.開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在采油設(shè)備中的應(yīng)用探討[J].石油機(jī)械，2009，37（4）：70-72.

[2]張志學(xué).開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在節(jié)能長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的應(yīng)用[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（8）：75-78.

[3]郭勤良，王釗，王群章，等.稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)在抽油機(jī)上的應(yīng)用分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2005，34（2）：54-56.

[4]劉慧芬.變頻調(diào)速技術(shù)在游梁式抽油機(jī)中的應(yīng)用[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，33（5）：77-79.

[5]何先君，常彥榮，劉鐵，等.游梁式抽油機(jī)“一拖多”轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速技術(shù)的試驗(yàn)應(yīng)用[J].石油石化節(jié)能，2014，12（3）：23-24.

[6]張波.抽油機(jī)雙功率電動(dòng)機(jī)在安塞油田應(yīng)用的節(jié)能分析[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2012（6）：55-60.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.01.010

2016-08-29

（編輯 沙力妮）

辛宏，工程師，2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京），從事采油工藝技術(shù)、油田數(shù)字化建設(shè)、水平井采油技術(shù)方面的研究工作，E-mail:xinh_cq@petrochina.com.cn，地址：陜西省西安市未央?yún)^(qū)明光路長(zhǎng)慶油田新技術(shù)研發(fā)中心油氣工藝研究院采油一室，710021。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“長(zhǎng)慶姬塬油田特低滲透油藏綜合利用示范基地”項(xiàng)目編號(hào)：1301-4-3。