抽油機(jī)星三角轉(zhuǎn)換的應(yīng)用研究

馬燕（吐哈油田分公司技術(shù)監(jiān)測(cè)中心）

油田廣泛使用的游梁式抽油機(jī)，采用帶載直接啟動(dòng)，所需啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流一般在6～8 倍額定電流。為滿足啟動(dòng)要求，所配電動(dòng)機(jī)的功率一般較大，但在運(yùn)行時(shí)所需轉(zhuǎn)矩較小，80%以上的電動(dòng)機(jī)負(fù)載率在35%以下。長(zhǎng)期以來(lái)抽油機(jī)所配電動(dòng)機(jī)大都處于輕載運(yùn)行，負(fù)載率極低，形成“大馬拉小車”的現(xiàn)象，功率損耗大[1]。通過(guò)星三角轉(zhuǎn)換運(yùn)行方式控制電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)時(shí)保證啟動(dòng)時(shí)的大轉(zhuǎn)矩，運(yùn)行平穩(wěn)后轉(zhuǎn)Y 型，降低運(yùn)行電流，達(dá)到節(jié)能的目的[2]。

1 原理

常見情況下：電動(dòng)機(jī)以Δ 型啟動(dòng)和運(yùn)行。Δ 型接線下，電動(dòng)機(jī)相電壓等于線電壓；線電流等于1.732 倍 的 相 電 流[3]。

星三角轉(zhuǎn)換運(yùn)行方式控制電動(dòng)機(jī)：電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，裝置以Δ 型啟動(dòng)，加在抽油機(jī)上電動(dòng)機(jī)的電壓是線電壓，以獲得較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩[4]。滿足啟動(dòng)要求運(yùn)行平穩(wěn)后轉(zhuǎn)Y 型，保證輸出所需功率情況下，降低單相運(yùn)行的電壓，減少電動(dòng)機(jī)內(nèi)部電流，即減少了電動(dòng)機(jī)內(nèi)部損耗和無(wú)功功率，達(dá)到節(jié)約用電目的[5]。

2 星三角轉(zhuǎn)換的應(yīng)用要求

吐哈油田4 個(gè)采油廠的抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)都采用Δ 型啟動(dòng)和運(yùn)行。2016 年，魯克沁采油廠對(duì)一部分抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了節(jié)能改造，采用了星三角轉(zhuǎn)換方式運(yùn)行，來(lái)達(dá)到節(jié)能目的[6]，并委托節(jié)能與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)站進(jìn)行節(jié)能效果評(píng)價(jià)。經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，達(dá)到了節(jié)電效果。

2.1 星三角轉(zhuǎn)換對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求

永磁電動(dòng)機(jī)最大的特點(diǎn)是定子由三相繞組及鐵芯構(gòu)成，電樞繞組以Y 型連接；永磁體作為轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中受到電磁力作用運(yùn)動(dòng)。缺點(diǎn)是最大轉(zhuǎn)矩受永磁體去磁約束，高轉(zhuǎn)速受限制。

而異步電動(dòng)機(jī)，三相定子繞組通入三相對(duì)稱交流電后，將產(chǎn)生一個(gè)勵(lì)磁旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流和磁場(chǎng)的聯(lián)合作用向電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子施加驅(qū)動(dòng)力，從而在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)[7]。通過(guò)超高電壓及弱磁驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的大扭矩運(yùn)行，保證電動(dòng)機(jī)高輸出功率[8]。

2.2 星三角轉(zhuǎn)換對(duì)負(fù)載率的要求

一般情況下，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率大于0.40 時(shí)，由于轉(zhuǎn)差率加大使轉(zhuǎn)子電流及定子電流迅速增加，Y 接法和Δ 型接法造成的電動(dòng)機(jī)損耗相等甚至大于Y 型接法，出現(xiàn)“倒節(jié)電”現(xiàn)象[9]。所以，Δ-Y 型運(yùn)行要選擇在負(fù)載率小于0.40 時(shí)采用。

2.3 對(duì)應(yīng)用要求的理論計(jì)算

先統(tǒng)計(jì)吐哈油田各采油廠近三年平均負(fù)載率（表1）。并計(jì)算轉(zhuǎn)換后的負(fù)載率，看是否滿足星三角轉(zhuǎn)換的要求，是否適合應(yīng)用此項(xiàng)節(jié)能改造技術(shù)。由表1 可知，此項(xiàng)技術(shù)改造適合在魯克沁采油廠應(yīng)用。

表1 近三年來(lái)油田平均負(fù)載率統(tǒng)計(jì)

為了進(jìn)一步確定適用范圍，選擇了魯克沁采油廠任意大小的電動(dòng)機(jī)，改造后負(fù)載率不超過(guò)0.40，計(jì)算電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行負(fù)載率范圍。通過(guò)計(jì)算，如果要對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行Δ-Y 型轉(zhuǎn)換，又要滿足轉(zhuǎn)換運(yùn)行后負(fù)載率小于0.40，那么轉(zhuǎn)換前的負(fù)載率就要小于0.23。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試評(píng)價(jià)結(jié)果驗(yàn)證

2019 年7 月節(jié)能與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)站對(duì)塔河油田采油二廠采用了星三角轉(zhuǎn)換節(jié)能改造，對(duì)3 口抽油機(jī)井運(yùn)行狀態(tài)節(jié)能效果對(duì)比測(cè)試。3 口抽油機(jī)滿足負(fù)載率均小于0.23，符合條件。表2 為測(cè)試計(jì)算基本數(shù)據(jù)，表3 為星三角轉(zhuǎn)換測(cè)試結(jié)果。

表2 測(cè)試計(jì)算基本數(shù)據(jù)

表3 星三角轉(zhuǎn)換測(cè)試結(jié)果

通過(guò)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平均功率因數(shù)由0.27 提高到0.60，提高了0.33。平均有功節(jié)能率為11.71%，無(wú)功節(jié)能率為67.39%，綜合節(jié)能率為17.23%，平均日節(jié)約電量48.84 kWh。結(jié)論檢驗(yàn)了在滿足負(fù)載率小于0.23，電動(dòng)機(jī)采用異步電動(dòng)機(jī)的前提下，確實(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)電目的。

3 結(jié)論

星三角轉(zhuǎn)換，適用啟動(dòng)時(shí)負(fù)載重、運(yùn)行時(shí)負(fù)載輕的情況。這種運(yùn)行方式在輕載時(shí)能提高功率因數(shù)和效率，節(jié)省電能。但在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該注意電動(dòng)機(jī)的選擇與負(fù)載率的切換值。星三角轉(zhuǎn)換運(yùn)行適用于異步電動(dòng)機(jī)，且負(fù)載率小于0.23 的情況。