抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)最佳運(yùn)行效率與負(fù)載率的試驗(yàn)研究

陳禹霖（大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠）

作者簡(jiǎn)介：陳禹霖，2013年畢業(yè)于東北石油大學(xué)（石油工程專業(yè)），從事機(jī)采管理工作，15246063399，170296290@qq.com，黑龍江省大慶市大慶油田第九采油廠工程技術(shù)大隊(duì)，163453。

電動(dòng)機(jī)是油田的生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域中的主要?jiǎng)恿?lái)源[1]，特別是在機(jī)械采油中，電動(dòng)機(jī)是主要的用電設(shè)備，占總耗電近80%[2]，節(jié)能潛力巨大。通過(guò)提出問(wèn)題，理論分析和應(yīng)用試驗(yàn)來(lái)探究電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率和負(fù)載率的關(guān)系。

1 提出問(wèn)題

某采油廠抽油機(jī)井負(fù)載率低，系統(tǒng)效率低于大慶油田平均標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)效率較低的289口井，在舉升高度相當(dāng)?shù)那闆r下，隨著產(chǎn)液量的上升，系統(tǒng)效率明顯提高；在產(chǎn)液量相當(dāng)?shù)那闆r下，舉升高度越高，系統(tǒng)效率越低。通過(guò)分析表明，抽油機(jī)井單井產(chǎn)液低、泵掛深度過(guò)深，是造成抽油機(jī)系統(tǒng)效率低的主要原因。系統(tǒng)效率和日產(chǎn)液的關(guān)系曲線見(jiàn)圖1，各作業(yè)區(qū)系統(tǒng)效率統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

圖1 系統(tǒng)效率和日產(chǎn)液的關(guān)系曲線

表1 各作業(yè)區(qū)系統(tǒng)效率統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)抽油機(jī)井進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分析[3]，發(fā)現(xiàn)抽油泵效率和電動(dòng)機(jī)效率是影響系統(tǒng)效率的主要因素，分別占比10.1%和2.7%。因此提高電動(dòng)機(jī)效率，可以有效提高系統(tǒng)效率。各節(jié)點(diǎn)效率及對(duì)系統(tǒng)效率的影響見(jiàn)表2。

表2 各節(jié)點(diǎn)效率及對(duì)系統(tǒng)效率的影響

理論研究認(rèn)為，電動(dòng)機(jī)負(fù)載率的高低直接影響著電動(dòng)機(jī)效率與能耗[4]。為進(jìn)一步提高抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)效率，需要進(jìn)行電動(dòng)機(jī)負(fù)載率與電動(dòng)機(jī)效率之間關(guān)系研究，把理論推導(dǎo)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的相結(jié)合，從而得出電動(dòng)機(jī)最佳運(yùn)行時(shí)負(fù)載率變化范圍，再結(jié)合單井情況，采取相應(yīng)措施調(diào)整電動(dòng)機(jī)負(fù)載率，達(dá)到提高電動(dòng)機(jī)效率，降低單井能耗的目的。

2 電動(dòng)機(jī)負(fù)載率與電動(dòng)機(jī)效率的關(guān)系

2.1 理論分析

電動(dòng)機(jī)負(fù)載率和效率的關(guān)系可通過(guò)以下公式得出，根據(jù)負(fù)載率定義：

根據(jù)電動(dòng)機(jī)效率的定義：

式中：β為電動(dòng)機(jī)負(fù)載率；P2為輸出功率，kW；Pe為額定功率，kW；η為電動(dòng)機(jī)效率，%；P1為輸入功率，kW；ΔP為電動(dòng)機(jī)的總損耗，kW。

由公式（2）計(jì)算電動(dòng)機(jī)效率時(shí)，由于有些參量比較復(fù)雜，受電動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件和外部其它原因的影響，如電動(dòng)機(jī)損耗包括：電動(dòng)機(jī)的銅損耗、鐵損耗、機(jī)械損耗及雜損等[5]。為方便計(jì)算，做了三方面假設(shè)：電動(dòng)機(jī)的輸入電壓不隨負(fù)荷變化而變化，為額定值；電動(dòng)機(jī)的鐵損不隨負(fù)荷變化而變化，為恒定值；電動(dòng)機(jī)的銅損與負(fù)載的平方成正比[6]。實(shí)際運(yùn)行工況下，電動(dòng)機(jī)總損耗計(jì)算如下：

式中：ηe為額定效率，%；k為常數(shù)。

因此，電動(dòng)機(jī)效率可以轉(zhuǎn)化為：

式中：βm為負(fù)載率的最大值。電動(dòng)機(jī)不同，k值不相同。

根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率和效率的關(guān)系曲線[7]可知，當(dāng)負(fù)載率增大時(shí)，輸出功率也增加，效率迅速增大，到達(dá)一定高度后又開始下降。這是因?yàn)樵陔妱?dòng)機(jī)的總損耗中有一項(xiàng)損耗即鐵損，它不隨負(fù)荷變化而變化，使得負(fù)載輕時(shí)效率較低。而銅損耗與負(fù)載率的平方成正比，當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)，銅損耗增大很快，又使效率下降[8]。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率β與βm相等時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率最高，損耗最小[9]。由公式（5）可知，βm的大小取決于k值，不同系列電動(dòng)機(jī)的k值有所不同，所以電動(dòng)機(jī)最佳運(yùn)行時(shí)βm值也各不相同。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

全廠目前在用節(jié)能電動(dòng)機(jī)3 020臺(tái)，主要以高轉(zhuǎn)差、永磁、伺服電動(dòng)機(jī)為主，其中高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)占比60.7%。重點(diǎn)測(cè)算YCHD與ZYCYT系列電動(dòng)機(jī)負(fù)載率與電動(dòng)機(jī)效率。因此，測(cè)定分別在YCHD225-8-15 kW的電動(dòng)機(jī)和ZYCYT200L-15 k W電動(dòng)機(jī)。采用系統(tǒng)效率測(cè)試的方法，在不同負(fù)載情況下，測(cè)試電動(dòng)機(jī)的輸入功率和電流，再運(yùn)用電流法計(jì)算不同負(fù)荷情況下的負(fù)載率和效率。

根據(jù)測(cè)試計(jì)算結(jié)果繪制出不同電動(dòng)機(jī)負(fù)載率和電動(dòng)機(jī)效率的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖2。從曲線中可以看出，電動(dòng)機(jī)負(fù)載率在一定范圍內(nèi)時(shí)，效率最高。電動(dòng)機(jī)的型號(hào)、系列不同，負(fù)載率和電動(dòng)機(jī)效率曲線不同，但變化規(guī)律相同。

圖2 不同電動(dòng)機(jī)負(fù)載率與電動(dòng)機(jī)效率的曲線

2.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

由圖3可知，YCHD系列電動(dòng)機(jī)，當(dāng)負(fù)載率達(dá)到0.484時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率最高達(dá)86.4%；ZYCYT系列電動(dòng)機(jī)，在負(fù)載率達(dá)到0.480時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率最高達(dá)87.4%。但在實(shí)際應(yīng)用中，YCHD系列電動(dòng)機(jī)，當(dāng)負(fù)載率為0.191，ZYCYT系列電動(dòng)機(jī)負(fù)載率為0.310，負(fù)載均過(guò)低?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況對(duì)比見(jiàn)表3。

2.4 節(jié)能措施

為提高電動(dòng)機(jī)負(fù)載率，對(duì)于產(chǎn)量較低的油井，建議應(yīng)用節(jié)能控制箱，節(jié)能控制箱可以通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整電動(dòng)機(jī)端電壓，提高電動(dòng)機(jī)效率，其技術(shù)原理如下：

異步電動(dòng)機(jī)在不同電壓下的負(fù)載率與電動(dòng)機(jī)效率曲線表明（圖3），當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率較低時(shí)，通過(guò)降低電動(dòng)機(jī)端電壓，可以降低輕載時(shí)的無(wú)效損耗，進(jìn)而提高電動(dòng)機(jī)效率[10]。

表3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況對(duì)比

圖3 異步電動(dòng)機(jī)在不同電壓下的負(fù)載率與電動(dòng)機(jī)效率曲線

從額定電壓UN與0.85UN時(shí)電動(dòng)機(jī)效率曲線看出：當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于額定負(fù)載時(shí)，額定電壓下電動(dòng)機(jī)效率最高；負(fù)載在0.5～0.75倍額定負(fù)載之間，電壓為0.85UN時(shí)的電動(dòng)機(jī)效率與額定電壓的電動(dòng)機(jī)效率接近；負(fù)載小于0.5倍額定負(fù)載時(shí)，電壓為0.85UN時(shí)的電動(dòng)機(jī)效率高于額定電壓的電動(dòng)機(jī)效率。

該廠根據(jù)電動(dòng)機(jī)的這個(gè)規(guī)律引入了節(jié)能控制箱，節(jié)能控制箱可根據(jù)抽油機(jī)自身運(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率變化，當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，實(shí)時(shí)調(diào)整電動(dòng)機(jī)輸入電壓和負(fù)載電流，降低電動(dòng)機(jī)自身?yè)p耗，進(jìn)而提高電動(dòng)機(jī)效率。

近幾年，在G作業(yè)區(qū)更換節(jié)能控制箱227臺(tái)，更換前平均單井日耗電66.7 kWh，系統(tǒng)效率5.3%；措施后單井日耗電44.4 k Wh，系統(tǒng)效率7.9%；平均單井日節(jié)電22.3 k Wh，系統(tǒng)效率提高2.6個(gè)百分點(diǎn)，節(jié)電率33.5%，取得了較好的效果。

3 結(jié)論

1）通過(guò)理論分析與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得出，YCHD系列電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率達(dá)到0.484時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率最高達(dá)86.4%；ZYCYT系列電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率達(dá)到0.480時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率最高達(dá)87.4%。

2）合理選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)和容量，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行合理的更換，使其負(fù)載率處于最佳范圍之內(nèi)，達(dá)到節(jié)能的目的。

3）通過(guò)理論分析與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定試驗(yàn)表明，應(yīng)用節(jié)能控制箱降低電動(dòng)機(jī)端電壓，可提高電動(dòng)機(jī)負(fù)載率，進(jìn)而提高電動(dòng)機(jī)效率。