油田抽油機(jī)井節(jié)能電動(dòng)機(jī)適應(yīng)性研究及應(yīng)用

李丹丹 岳宇 劉聰 張杰 張曉菡 王莉

（1.勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心；2.勝利油田檢測(cè)評(píng)價(jià)研究有限公司）

機(jī)采系統(tǒng)耗電約占油田主要生產(chǎn)耗能系統(tǒng)耗電量的57%，是油田節(jié)能改造的重點(diǎn)，而電動(dòng)機(jī)是該系統(tǒng)最重要的耗能節(jié)點(diǎn)，目前油田用節(jié)能電動(dòng)機(jī)類型多，且節(jié)能原理各不相同，相同類型的節(jié)能電動(dòng)機(jī)在不同抽油機(jī)井運(yùn)行工況下的節(jié)電效果往往差異較大[1-3]。由于沒有把實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)合起來研究，無法確定何種工況選用何種電動(dòng)機(jī)，目前新井投產(chǎn)安裝電動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)更換是以電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為主要依據(jù)，能滿足油井的啟動(dòng)即可，但對(duì)于運(yùn)行過程中是否節(jié)能缺乏考量。針對(duì)以上問題，進(jìn)行油田抽油機(jī)用節(jié)能電動(dòng)機(jī)適應(yīng)性研究，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，為油田抽油機(jī)井匹配適宜節(jié)能電動(dòng)機(jī)提供技術(shù)支撐[4-5]。

1 節(jié)能電動(dòng)機(jī)特性研究

目前油田抽油機(jī)井用電動(dòng)機(jī)種類較多，有普通Y（Y2、Y3）系列異步電動(dòng)機(jī)、YE3 高效電動(dòng)機(jī)、多功率電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)、高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)、磁阻電動(dòng)機(jī)、調(diào)速電動(dòng)機(jī)、齒輪減速電動(dòng)機(jī)、抽油機(jī)用直線電動(dòng)機(jī)等等，結(jié)合各類型電動(dòng)機(jī)的電器特性及優(yōu)缺點(diǎn)，以及針對(duì)油井生產(chǎn)的特殊工況及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，初步選用永磁同步電動(dòng)機(jī)、YE3 高效電動(dòng)機(jī)、雙功率電動(dòng)機(jī)、高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)四類節(jié)能電動(dòng)機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性研究，對(duì)以上四類電動(dòng)機(jī)采用自主研發(fā)的抽油機(jī)交變載荷實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)其空載、負(fù)載、堵轉(zhuǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，電動(dòng)機(jī)空載實(shí)驗(yàn)見圖1，四類節(jié)能電動(dòng)機(jī)空載損耗見圖2[6-9]。

圖1 實(shí)驗(yàn)室電動(dòng)機(jī)空載實(shí)驗(yàn)

圖2 四類節(jié)能電動(dòng)機(jī)空載損耗

1.1 電動(dòng)機(jī)空載實(shí)驗(yàn)

空載實(shí)驗(yàn)是對(duì)電動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行定性分析的重要方式，通過實(shí)驗(yàn)，四類節(jié)能電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)較靈活、沒有較強(qiáng)振動(dòng)和異常噪聲，永磁電動(dòng)機(jī)空載損耗較其他電動(dòng)機(jī)高，通過對(duì)比空載損耗的分布情況可以發(fā)現(xiàn)，永磁電動(dòng)機(jī)損耗平均為0.35 kW，但是機(jī)械損耗高達(dá)1.06 kW，機(jī)械損耗的影響主要來自于所采用的軸承、潤滑等因素，可以通過改進(jìn)制造工藝來降低其空載損耗，其它三類節(jié)能電動(dòng)機(jī)空載損耗相對(duì)較低且水平相當(dāng)。

1.2 電動(dòng)機(jī)負(fù)載實(shí)驗(yàn)

電動(dòng)機(jī)效率直接影響整個(gè)抽油機(jī)井系統(tǒng)效率，通過調(diào)整電動(dòng)機(jī)功率改變電動(dòng)機(jī)負(fù)載率，測(cè)試不同電動(dòng)機(jī)負(fù)載率下的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)，有功功率、無功功率、功率因數(shù)等電參數(shù)及電動(dòng)機(jī)效率，電動(dòng)機(jī)負(fù)載實(shí)驗(yàn)見圖3，電動(dòng)機(jī)效率測(cè)試結(jié)果見圖4，從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出：電動(dòng)機(jī)測(cè)試效率，隨著電動(dòng)機(jī)負(fù)載率的增加是升高的；在各個(gè)負(fù)載永磁電動(dòng)機(jī)均有最高的電動(dòng)機(jī)效率及功率因數(shù)，在25%的低負(fù)載情況下依然能夠保持較高的效率84.5%及功率因數(shù)0.89；其它三類電動(dòng)機(jī)在相同負(fù)載情況下電動(dòng)機(jī)效率差異不明顯。

圖3 實(shí)驗(yàn)室電動(dòng)機(jī)負(fù)載實(shí)驗(yàn)

圖4 電動(dòng)機(jī)效率測(cè)試結(jié)果

1.3 電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大小直接反應(yīng)了電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能，在滿足正常運(yùn)行功率需求前提下，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩越大就可以用越小容量的電動(dòng)機(jī)替換大容量電動(dòng)機(jī)，即電動(dòng)機(jī)降容幅度越大，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能目的。電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)見圖5，增轉(zhuǎn)倍數(shù)見圖6，測(cè)試的節(jié)能電動(dòng)機(jī)中堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最高的為高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)，其次為永磁電動(dòng)機(jī)，這兩類電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩要遠(yuǎn)高于YE3 高效電動(dòng)機(jī)及雙功率電動(dòng)機(jī)，故降容幅度最大。

圖5 電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

圖6 堵轉(zhuǎn)倍數(shù)

1.4 節(jié)能電動(dòng)機(jī)特性總結(jié)

通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，四類節(jié)能電動(dòng)機(jī)的特性總結(jié)：一是永磁同步電動(dòng)機(jī)具有功率因數(shù)高、額定效率高、低負(fù)載狀態(tài)下效率高、啟動(dòng)性能較好的優(yōu)勢(shì)，但存在空載損耗較高、空載反電勢(shì)不能全部達(dá)標(biāo)的問題，建議將這兩項(xiàng)作為電動(dòng)機(jī)及供應(yīng)商甄選的重要條件指標(biāo)；二是雙功率電動(dòng)機(jī)具有大功率啟動(dòng)小功率運(yùn)行、額定效率較高、空載損耗較低的優(yōu)勢(shì)，但存在電動(dòng)機(jī)效率及功率因數(shù)較低、低負(fù)載狀態(tài)下效率不高、接線繁瑣的問題；三是高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)存在機(jī)械特性軟、啟動(dòng)性能好、空載損耗較低的優(yōu)勢(shì)，但額定效率、功率因數(shù)不高，且電動(dòng)機(jī)易發(fā)熱；四是YE3 高效電動(dòng)機(jī)具有效率高、運(yùn)行溫度低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢(shì)，但存在轉(zhuǎn)差率較小、轉(zhuǎn)速較高的問題。

2 節(jié)能電動(dòng)機(jī)選型原則

根據(jù)節(jié)能電動(dòng)機(jī)的特性、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果，結(jié)合抽油機(jī)井運(yùn)行工況，制定電動(dòng)機(jī)選型原則[10]，原則上以永磁電動(dòng)機(jī)和YE3 高效電動(dòng)機(jī)為主，在低液量、低負(fù)載率狀態(tài)下，優(yōu)先選用多功率電動(dòng)機(jī)，節(jié)能電動(dòng)機(jī)選型原則見表1。

表1 節(jié)能電動(dòng)機(jī)選型原則

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

基于節(jié)能電動(dòng)機(jī)適應(yīng)性研究方法，現(xiàn)場(chǎng)共優(yōu)化電動(dòng)機(jī)選型1 095 臺(tái)，其中永磁同步電動(dòng)機(jī)613 臺(tái)、高效電動(dòng)機(jī)225 臺(tái)、多功率電動(dòng)機(jī)183 臺(tái)、高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)74 臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用節(jié)電效果較好，平均節(jié)電率11.2%，可實(shí)現(xiàn)年節(jié)電603.6×104kWh，年節(jié)約電費(fèi)440.6 萬元，下面以8 口典型井為例進(jìn)行節(jié)電效果情況展示，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果見表2。通過應(yīng)用驗(yàn)證，節(jié)能電動(dòng)機(jī)適應(yīng)性研究結(jié)論可較好的指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能電動(dòng)機(jī)選型，為油田抽油機(jī)井進(jìn)一步節(jié)能降耗提供數(shù)據(jù)與技術(shù)雙支撐。

表2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）通過對(duì)四類抽油機(jī)井節(jié)能電動(dòng)機(jī)進(jìn)行空載、負(fù)載、堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，明確電動(dòng)機(jī)自身屬性及油井工況下的應(yīng)用特性，為現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能電動(dòng)機(jī)選型優(yōu)化提供數(shù)據(jù)及理論支撐。

2）制定抽油機(jī)井節(jié)能電動(dòng)機(jī)選型原則，原則上以永磁電動(dòng)機(jī)和YE3 高效電動(dòng)機(jī)為主，在低液量、低負(fù)載率狀態(tài)下，優(yōu)先選用多功率電動(dòng)機(jī)。

3）基于節(jié)能電動(dòng)機(jī)適應(yīng)性研究指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能電動(dòng)機(jī)選型優(yōu)化，應(yīng)用效果良好，共優(yōu)化電動(dòng)機(jī)選型1 095 臺(tái)，實(shí)現(xiàn)年節(jié)電603.6×104kWh。