抽油機節能電動機評價及改造方式的研究

洪微微（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

抽油機節能電動機評價及改造方式的研究

洪微微（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

游梁式抽油機是機械采油的主要設備，在抽油機節電方面，采取了各種各樣的措施，取得了諸多的成果和效益。針對目前正在用的節能電動機從其機理進行論述，同時針對電動機節能改造的方式、方法進行了分析，探討節能電動機的更新原則及電動機節能改造的方式。

節能電動機 節能改造 雙功率 伺服

1 抽油機用節能電動機評價

抽油機作為活塞式有桿泵的地面舉升設備，只要能夠滿足其運動及機械特性的電動機就可以作為其拖動的動力設備。

1.1 常規游梁式抽油機的工作特性

抽油機工作時抽油桿在上行和下行時負載變化大，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大[1]。

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，才能保證抽油機在靜止狀態下啟動起來。這樣在選擇電動機時要求電動機的額定功率要大（啟動扭矩要大），當抽油機啟動以后正常運行時負載下降電動機在輕載下工作（一般運行功率僅為裝機功率的1/3），系統效率測試數據顯示抽油機井電動機效率多在40%～60%、功率因數在0.3～0.5之間[2]。

1.2 節能電動機簡介

多年來的實踐表明，我們認為節能電動機應具備“電動機拖動負載與電動機的輸出扭矩（功率）間的合理匹配”的功能，抽油機在運行過程中，電動機的輸出功率隨著載荷的變化在無人為干預的情況下實現自動轉換[3]。

（1）永磁電動機

在結構上與Y系列電動機相似，所不同的是在電動機轉子內鑲入永磁鐵，使轉子自身具有高強度磁場，可以用來取代電動機轉子的電勵磁，顯著提高功率因數，減小定子電流和定子電阻損耗。永磁同步電動機為同步工作方式，轉子轉速與定子旋轉磁場完全同步，與異步電動機相比，無轉差損耗。

優勢：

①效率高、高效區范圍寬；

②功率因數高，無功節電效果相當顯著；

③起動力矩大、過載能力強；

④在匹配合理的條件下、節電效果顯著。

不足：

①無法實現抽油機運行負載與電動機輸出負載間的合理匹配；

②由于同步電動機的啟動特性較硬，在重載井上啟動時電動機易出現振動現象；

③制造成本較常規Y系列電動機要高出至少40%左右；

④容易出現退磁現象。

（2）伺服電動機

屬于自動控制系統中的一種，是驅動器從外面接收參數信息，將電流輸送給電動機，通過電動機扭矩帶動負載，負載根據它自己的特性進行動作或加速，傳感器檢測負載的位置，使驅動裝置對參數信息值和實際位置值進行比較，然后通過改變電動機電流使實際位置值和參數信息值保持一致[4]。

優勢：

①可自動調節啟動過程中的運行速度，降低電動機的啟動電流，及啟動過程中電動機和機械系統的載荷沖擊；

②可大幅度降低轉矩波動，減少機械沖擊負載對機、桿、泵、變速箱的疲勞損傷；

③能夠實時調節電動機轉矩，按需供給，不浪費有用電能；

④可實現電動機轉速在零至額定轉速之間任意變速調節，且可恒轉矩輸出，在特定工況下可以高于額定轉速調速運行。伺服拖動系統基本構成見圖1。

不足：

①控制較復雜，驅動器參數需要現場調整PID參數確定，需要更多的連線。

（3）雙功率電動機

在結構上與Y系列電動機相似，區別在于利用單槽內下入單線“引出多組頭”，通過在多組頭之間改變接線方式，即實現了“雙極雙速”。該電動機沿用了高轉差率的特性，利用降低轉速來達到提高扭矩實現降低裝機機座號（裝機功率）的目的。現場應用中速度的轉換，需要停機靠人工實施轉換。

優勢：

①解決啟動問題，可以用小容量的電動機取代大容量的普通電動機，降低電動機損耗；

②節電效果效果明顯；

③由于其速度可以調整給抽油機井的調參工作帶來了方便。

不足：

①在一個固定的功率下運行，無法實現機采井運行負載與電動機輸出負載間的合理匹配，影響了其電動機功能的發揮；

②由于轉差率高的緣故，在運行過程中易出現丟轉現象。

2 節能電動機的更新原則

2.1 拖動裝置節能的理論基礎

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。

2.2 更新節能電動機的原則

選擇電動機時要綜合考慮，首先確定電動機的類型，然后再選擇電動機的功率，最后需要考慮的是投資問題。

（1）節能電動機類型的選擇

如何選擇合適的電動機類型，涉及到各種類型的電動機在游梁式抽油機上工作特性的評價。應對抽油機井實際工況進行具體分析后，才能做出較為合理的選擇。從以下幾個方面進行比較：

①電動機啟動性能，要求其配套的拖動裝置應具備較軟的啟動特性；

②電動機的過載性能力；

③電動機的節電效果。

（2）額定功率、最大扭矩的選擇

抽油機輸入的功率就是電動機必須輸出的功率，抽油機系統的特性和功率要求隨不同電動機的選用而變化。電動機的選擇首先應滿足功率的要求，一般來說，最大泵徑工況的功率需求總是最大的，可按可能使用的最大泵徑、光桿最大沖程、抽油機最高沖速與由減速箱許用扭矩和額定懸點載荷確定的最大井深等參數計算所需功率，電動機額定功率的選擇應大于抽油機可能需求的最大功率，并要留有一定的余量。配備抽油機用電動機時除了滿足功率要求外，還應滿足最大扭矩的要求，即傳到電動機軸上的最大扭矩不應當超過電動機允許的最大扭矩[2]。設減速箱曲柄最大扭矩為Τmax，電動機的最大扭矩為Τdmax，則有

式中：

i——為從電動機到減速箱曲柄軸的傳動比；

ηm——為從電動機到減速箱曲柄軸的傳動效率。

（3）抽油機拖動裝置的選擇方法

在選擇抽油機拖動裝置時，我們應滿足抽油機曲柄旋轉扭矩的需求，因此選擇時必須要考慮電動機的扭矩。抽油機拖動裝置的選擇方法，依據凈扭矩曲線計算其均方根扭矩Τe。

式中：

Τe——均方根扭矩k N·M；

N——等分區間數；

Τni——瞬時扭矩值。

電動機扭矩的計算方法：

式中：

M——電動機扭矩N·m；

P——電動機功率k W；

nd——電動機名牌轉速r/min。

對于不同種類的抽油機其凈扭矩曲線的波動情況存在差異，因此其均方根扭矩Τe的值是不同的。

3 常規Y系列電動機節能改造

3.1 實施節能改造的必要性

為節約生產資金投入，提高油田開發經濟效益，對于更換下來的常規Y系列電動機實施節能改造、重復利用有著深遠的意義。

3.2 改造方式及原理

（1）伺服控制改造

改造過程中將原電動機軸加軸套，連接編碼盤，安裝伺服控制柜，在平衡塊下方安裝極限開關。實現原電動機整體保留，減少了閑置資產。

（2）雙功率改造

改造過程中將原定子線圈去除，重新在單槽內下入雙線圈，實現了“雙繞組改造”。改造后的“雙繞組電動機”需要配置專用控制柜，組合成“一體化”拖動裝置。實現過程簡單，依據抽油機負載自動實施匹配功率運行，改造費用低。

3.3 改造實施方案及效果

（1）常規電動機改為伺服電動機

在傳統電動機上進行伺服控制改造，節能效果比常規電動機較好，但不及伺服永磁控制系統。

表1 伺服電動機價格表

（2）常規電動機改為雙功率電動機

技術上是成熟的，改造費用較低，節能效果較好，推薦選用。在改造過程中僅需要動定子線圈，最大限度的保留了原電動機的部件（若無損壞無須更換），因此其改造費用低。

表2 實施雙繞組節能改造價格表

從上表中可以看出，電動機的平均改造費用與新的Y系列電動機相比平均相差24000元，即可完成電動機的雙繞組改造，配備專用的控制柜平均需費用為5000元。

4 經濟效益分析

依據采油六廠現場實際測試結果，實施伺服控制改造的投資回收期為39個月；而實施雙功率改造的投資回收期僅為12個月。

表3 投入產出效果分析表

從表中看出，常規電動機改為雙功率電動機比伺服控制改造回收期提前27個月。因此建議在維修損壞電動機時應盡量改為雙功率一體化，同時結合節能方案進一步加大常規電動機改為雙功率一體化的規模。

5 結論

（1）節能電動機依據抽油機負載實現逐級匹配時，必須要作到理論計算結果與實際生產情況的結合，追求其最佳匹配效果。

（2）常規電動機在節能改造中應追求經濟、高效、實用的原則。

（3）伺服控制系統的閉環控制和快速響應特性對電動機轉矩的實時調節，可以合理地協調驅動裝置的運行狀態，有效降低系統能耗。

[1]白連平.關于游梁式抽油機用電動機節能討論[J].石油機械,1999(3).

[2]黃超,等.游梁式抽油機運行狀況及節電動機理研究[J].石油礦場機械,1999,28(4):9-12.

[3]孫世明,等.抽油機耗電理論與試驗研究[J].石油機械,1989.17(12):8-13.

[4]戈璜.交流伺服異步電動機驅動抽油機的研究.石油鉆采工藝,2005.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.05.004

洪微微，2008年畢業于大慶石油學院，從事油田節能方案設計工作，E-mail： dqhongweiwei@petrochina.com.cn，，地址：黑龍江省大慶油田有限責任公司第六采油廠工程技術大隊，163000。

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