葡萄花油田抽油機用節能電動機評價及適應性探討

冉衛東（大慶油田有限責任公司第七采油廠）

葡萄花油田抽油機用節能電動機評價及適應性探討

冉衛東（大慶油田有限責任公司第七采油廠）

通過對大慶油田第七采油廠不同節能電動機的機械特性及工作原理進行闡述，并結合各自的設計理論及實際應用情況，對抽油機在用節能電動機的優缺點進行了評價。從評價結果看，對于產液量較高、抽油機載荷較大的葡北等地區，建議以應用永磁同步電動機和雙功率電動機為主；對于產液量及系統效率較低的葡南、臺肇等地區，建議以應用低速電動機為主。通過分析結果，對不同節能電動機的適應性進行了探討，為油田節能工作的持續開展提供了技術支持。

抽油機 節能電動機 適用性 評價 分析

目前，油田使用的抽油機大多是常規游梁式抽油機，屬于帶負荷啟動設備，穩定運轉所需的轉矩較小，而在啟動時所需轉矩很大，因此，在實際生產時必須使用比穩定運轉功率大得多的電動機和大容量變壓器。這雖然解決了抽油機的啟動問題，但是電動機的正常運行是在輕載狀態下，這樣就降低了功率因數和電動機的運行效率，增大了電能的消耗。針對此問題，考慮在抽油機上使用節能電動機拖動裝置，例如永磁同步電動機、雙速電動機、低速電動機等，來解決抽油機的啟動問題，降低電動機的運行能耗。

1 抽油機、電動機的運行機理及特點

1.1 抽油機運行特性分析

載荷扭矩曲線是一條非對稱的正弦曲線，具有周期脈動的負載特性。抽油機工作時，電動機驅動減速器帶動四連桿機構實現驢頭的上下運動，抽油桿在上行和下行時負載的變化較大，導致抽油機減速器的凈扭矩波動幅度大，反映在電動機上則電流變化幅度較大。

由于抽油機具有自身的機械平衡裝置和周期脈動的負載特性，所以要求電動機具有高啟動扭矩，以保證抽油機在靜止狀態下啟動運行。這樣在選擇電動機時就要求額定功率要大（啟動扭矩大）。當抽油機正常運行時負載下降，電動機在輕載狀態下工作（一般運行功率僅為裝機功率的三分之一），系統效率測試數據顯示功率因數多在0.3～0.5之間。

1.2 電動機運行機理分析

根據抽油機的負載特性，使用的節能電動機應具有負載越輕時效率和功率因數越高，啟動力矩大，過載能力強等特性，實現抽油機井運行負載與電動機輸出負載間的合理匹配。

1.2.1 機械特性

電動機的機械特性分為硬特性和軟特性兩種。硬特性是指電動機的轉矩在允許范圍內變化時，電動機的轉速變化很小，同步電動機的機械特性是一條直線，其轉速不隨轉矩的變化而變化，典型的如永磁同步電動機；軟特性是指電動機的轉速隨著轉矩的變化下降很快，機械特性的斜率較大，但其啟動轉矩卻較大，典型的如高轉差電動機。

1.2.2 工作原理

當電動機接通三相電源時，三相交流電通入定子繞組后，便形成了一個旋轉磁場，旋轉磁場的磁力線被轉子導體切割，根據電磁感應原理，轉子導體產生感應電動勢。轉子繞組是閉合的，則轉子導體有電流流過，導體受電磁力作用形成電磁轉矩，推動轉子以一定的轉速旋轉，并從軸上輸出一定大小的機械功率。

1.2.3 節能原理

如果電動機運行在額定負荷或額定負荷附近，則電動機屬于經濟運行。電動機運行效率取決于電動機負荷率，國家標準G B12497—1995規定，Y系列（IP44）37 k W6極電動機的負荷率應大于0.40；22k W 6極電動機的負荷率應大于0.46，此時電動機為經濟運行。對于不同功率的Y系列電動機，效率下降點也不同。一般情況下，效率和功率因數隨負荷率變化的曲線如圖3所示。把效率將要快速下降點a所對應的負荷率稱為臨界負荷率βa。當負荷率β＞βa時，效率的變化不大，這是由電動機的可變損耗和不變損耗的對比關系所決定的。當負荷率β＜0.70時，功率因數下降很快。功率因數低不但使電動機本身能耗有所增加，而且給電網造成了附加損耗，降低了電網容量和變壓器設備的利用率。從以上討論可以看出，只要負荷率β不低于βa，“大馬拉小車”的影響主要是降低功率因數。對于一般負荷（如風機、水泵），節能的關鍵是提高負荷率。如果將負荷率提高到0.70～0.80，即為最佳運行狀態，沒有必要提高到1。一般工作在β=0.70以上，功率因數比較高。

1.3 常用節能電動機的應用特點

抽油機井節能在理論上所追求的是“抽油機井的機械特性與電動機特性間的合理匹配”，真正實現抽油機井運行負載與電動機輸出負載間的合理匹配[1]。

1.3.1 永磁同步電動機

永磁同步電動機與異步電動機在結構方面相似，只是在轉子鼠籠條內嵌入稀土永磁鋼，改變了原來定子勵磁為轉子稀土永磁鋼勵磁的方式，變異步電動機為同步電動機。其特點是提高了低負荷區的電動機效率，啟動轉矩大，運行電流小，功率因數高。不足之處在于同步電動機的啟動特性較硬，在重載井或沖次高的井上應用啟動時電動機易出現振動。因此，永磁同步電動機需要安裝在供電線路壓降小、電壓穩定的井上，否則啟動困難。同時永磁同步電動機的制造成本較高，損壞后維修困難，并容易出現退磁的現象。

1.3.2 雙速電動機

雙速電動機屬于異步電動機變極調速，它是通過改變定子繞組的連接方法改變定子旋轉磁場磁極對數，從而改變電動機的轉速。其特點是啟動轉矩大，且運行時有兩個擋位，可以在不更換皮帶輪的情況下調整沖速。不足之處在于該電動機的調速是有極的，不能平滑調速，而且只適用于鼠籠式電動機，調速時需手動變換擋位調節轉速來控制沖速。

1.3.3 雙功率電動機

雙功率電動機的定子繞組采用兩個可以并聯運行的繞組，兩個繞組的功率不同，這種電動機能夠實現大功率下啟動、小功率下運行，保證了電動機功率與抽油機負載的合理匹配，使電動機在效率和功率因數最佳的狀態下運行。其特點是啟動和運行功率之間可自動切換，缺點是由于轉差率高，在運行過程中易出現丟轉現象。

1.3.4 低速電動機

低速電動機是在頻率 f不變的情況下，改變異步電動機的磁極對數P，這樣可以改變其同步轉速n（n=60f/P），從而使電動機在某一負荷下的穩定速度發生變化，達到調整抽汲速度的目的。低速電動機是通過降低抽油機沖速達到節能的目的，其特點是啟動轉矩大，可降低電動機機座型號進行應用，其不足之處是電動機的轉速不可調，運行功率因數較低。

1.3.5 雙聯齒輪減速電動機

雙聯齒輪減速電動機是通過安裝在其專用電動機上的齒輪機械減速器達到降低輸出轉速和增加輸出扭矩的目的，具有良好的啟動性和軟特性。其特點是能夠用較小容量取代較大容量的普通電動機，可降低電動機裝機容量45%～55%，沖速調整范圍在0.8～4 min-1。此種電動機的不足之處在于長期運行后齒輪易磨損，導致噪聲較大，使用壽命降低；調大沖速比較困難。

1.4 節能電動機應用效益分析

以上5種節能電動機的使用有效期均按8年計算（表1），永磁電動機投入費用居中，節能效果最好，投資回收期最短；雙速電動機投入費用最高，投資回收期最長。

表1 節能電動機效益評價表

2 節能電動機適應性探討

選擇電動機時，在兼顧性價比的前提下，應對抽油機井實際工況進行分析，從電動機的啟動性能、過載能力、節電效果等幾個方面進行比較，做出較為合理的選擇[2]。

2.1 永磁同步電動機

永磁同步電動機的特性較硬，除對重載井有一定的不適應性外，適用范圍較廣，節能效果明顯，在老區改造和新開發區塊上大面積應用，可獲得規模效益。從油井工況方面考慮，對于高含水、泵掛在1000m以內，沖速不高于4 min-1，抽油桿彈性變形不是很大的井上應用，節電效果能達到15%以上。對于啟動困難的井，可以采用軟啟動裝置與永磁同步電動機配合使用，節電效果明顯，但是增大了投資成本。

2.2 雙速電動機

雙速電動機適用于供排關系不穩定、產量波動范圍較大的抽油機井。因該電動機具有7%的轉差率和2倍的堵轉轉矩，有利于抽油機在啟動和發生砂卡、蠟卡時減少減速箱和抽油桿所受的沖擊載荷，因此，可選擇在易結蠟的井上使用。

2.3 雙功率電動機

雙功率電動機適用于抽油機載荷大、易結蠟且啟動困難的油井。

2.4 低速電動機

低速電動機適用于系統效率低、機采運行參數大、供采不合理、載荷較大的抽油機井。該電動機是通過降低抽汲頻率來達到節能的目的，電動機仍為普通電動機，電動機的轉速也不可調，所以在油井參數比較穩定的老抽油機上進行低速電動機改造是比較經濟的。

2.5 雙聯齒輪電動機

雙聯齒輪電動機適用于井深、產量低，抽油機機型偏大和拖動電動機裝機功率大的抽油機井。從油井工況方面考慮，對于供液不足、低沖速（一般在1~4 min-1）的井，主要考慮電動機的低轉速，可選擇雙聯齒輪電動機。

3 結論與認識

1）在應用節能電動機時，應根據不同區塊的能耗狀況及油井功況，綜合考慮各種節能電動機的特點及適應性，合理匹配電動機功率，達到規?；б?。對于產液量較高、抽油機載荷較大的葡北等地區，建議以應用永磁同步電動機和雙功率電動機為主；對于產液量及系統效率較低的葡南、臺肇等地區，建議以應用低速電動機為主。

2）在節能措施實施過程中，應考慮投資與回收期、能耗與投入成本等方面的關系，控制投入成本，保證節能技術最優化、效益最大化。

3）在節能設備后期應用過程中，應加強設備的日常管理及維護，實現節能設備的高效、低耗運行，保證節能效果。

[1]殷雷.抽油機用節能電動機評價及改造方式的探討[J].應用能源技術,2008（9）:12-14.

[2]王釗,秦英.李權,等.抽油機節能電動機的應用分析[J].石油礦場機械,2007,36（8）:6-8.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.04.013

冉衛東，2005年畢業于大慶石油學院，從事采油工程方面的工作，E-mail：songbing@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市大同區第七采油廠電力維修大隊，163517。

2012-01-06）