抽油機(jī)節(jié)能電動機(jī)評價及改造方式的研究

洪微微（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

抽油機(jī)節(jié)能電動機(jī)評價及改造方式的研究

洪微微（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

游梁式抽油機(jī)是機(jī)械采油的主要設(shè)備，在抽油機(jī)節(jié)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(jié)能電動機(jī)從其機(jī)理進(jìn)行論述，同時針對電動機(jī)節(jié)能改造的方式、方法進(jìn)行了分析，探討節(jié)能電動機(jī)的更新原則及電動機(jī)節(jié)能改造的方式。

節(jié)能電動機(jī) 節(jié)能改造 雙功率 伺服

1 抽油機(jī)用節(jié)能電動機(jī)評價

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

1.1 常規(guī)游梁式抽油機(jī)的工作特性

抽油機(jī)工作時抽油桿在上行和下行時負(fù)載變化大，導(dǎo)致抽油機(jī)減速器的凈扭矩波動幅度大，反映在電動機(jī)上則電流變化大[1]。

由于抽油機(jī)具有自身的機(jī)械平衡裝置和周期脈動的負(fù)載特性，所以要求電動機(jī)具有高啟動扭矩，才能保證抽油機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下啟動起來。這樣在選擇電動機(jī)時要求電動機(jī)的額定功率要大（啟動扭矩要大），當(dāng)抽油機(jī)啟動以后正常運行時負(fù)載下降電動機(jī)在輕載下工作（一般運行功率僅為裝機(jī)功率的1/3），系統(tǒng)效率測試數(shù)據(jù)顯示抽油機(jī)井電動機(jī)效率多在40%～60%、功率因數(shù)在0.3～0.5之間[2]。

1.2 節(jié)能電動機(jī)簡介

多年來的實踐表明，我們認(rèn)為節(jié)能電動機(jī)應(yīng)具備“電動機(jī)拖動負(fù)載與電動機(jī)的輸出扭矩（功率）間的合理匹配”的功能，抽油機(jī)在運行過程中，電動機(jī)的輸出功率隨著載荷的變化在無人為干預(yù)的情況下實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)換[3]。

（1）永磁電動機(jī)

在結(jié)構(gòu)上與Y系列電動機(jī)相似，所不同的是在電動機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)鑲?cè)胗来盆F，使轉(zhuǎn)子自身具有高強(qiáng)度磁場，可以用來取代電動機(jī)轉(zhuǎn)子的電勵磁，顯著提高功率因數(shù)，減小定子電流和定子電阻損耗。永磁同步電動機(jī)為同步工作方式，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場完全同步，與異步電動機(jī)相比，無轉(zhuǎn)差損耗。

優(yōu)勢：

①效率高、高效區(qū)范圍寬；

②功率因數(shù)高，無功節(jié)電效果相當(dāng)顯著；

③起動力矩大、過載能力強(qiáng)；

④在匹配合理的條件下、節(jié)電效果顯著。

不足：

①無法實現(xiàn)抽油機(jī)運行負(fù)載與電動機(jī)輸出負(fù)載間的合理匹配；

②由于同步電動機(jī)的啟動特性較硬，在重載井上啟動時電動機(jī)易出現(xiàn)振動現(xiàn)象；

③制造成本較常規(guī)Y系列電動機(jī)要高出至少40%左右；

④容易出現(xiàn)退磁現(xiàn)象。

（2）伺服電動機(jī)

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

優(yōu)勢：

①可自動調(diào)節(jié)啟動過程中的運行速度，降低電動機(jī)的啟動電流，及啟動過程中電動機(jī)和機(jī)械系統(tǒng)的載荷沖擊；

②可大幅度降低轉(zhuǎn)矩波動，減少機(jī)械沖擊負(fù)載對機(jī)、桿、泵、變速箱的疲勞損傷；

③能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩，按需供給，不浪費有用電能；

④可實現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速在零至額定轉(zhuǎn)速之間任意變速調(diào)節(jié)，且可恒轉(zhuǎn)矩輸出，在特定工況下可以高于額定轉(zhuǎn)速調(diào)速運行。伺服拖動系統(tǒng)基本構(gòu)成見圖1。

不足：

①控制較復(fù)雜，驅(qū)動器參數(shù)需要現(xiàn)場調(diào)整PID參數(shù)確定，需要更多的連線。

（3）雙功率電動機(jī)

在結(jié)構(gòu)上與Y系列電動機(jī)相似，區(qū)別在于利用單槽內(nèi)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(xiàn)了“雙極雙速”。該電動機(jī)沿用了高轉(zhuǎn)差率的特性，利用降低轉(zhuǎn)速來達(dá)到提高扭矩實現(xiàn)降低裝機(jī)機(jī)座號（裝機(jī)功率）的目的?，F(xiàn)場應(yīng)用中速度的轉(zhuǎn)換，需要停機(jī)靠人工實施轉(zhuǎn)換。

優(yōu)勢：

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

②節(jié)電效果效果明顯；

③由于其速度可以調(diào)整給抽油機(jī)井的調(diào)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(xiàn)機(jī)采井運行負(fù)載與電動機(jī)輸出負(fù)載間的合理匹配，影響了其電動機(jī)功能的發(fā)揮；

②由于轉(zhuǎn)差率高的緣故，在運行過程中易出現(xiàn)丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2 節(jié)能電動機(jī)的更新原則

2.1 拖動裝置節(jié)能的理論基礎(chǔ)

抽油機(jī)井節(jié)能在理論上所追求的是“抽油機(jī)井的機(jī)械特性與電動機(jī)特性間的合理匹配”，真正實現(xiàn)抽油機(jī)井運行負(fù)載與電動機(jī)輸出負(fù)載間的合理匹配。

2.2 更新節(jié)能電動機(jī)的原則

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

（1）節(jié)能電動機(jī)類型的選擇

如何選擇合適的電動機(jī)類型，涉及到各種類型的電動機(jī)在游梁式抽油機(jī)上工作特性的評價。應(yīng)對抽油機(jī)井實際工況進(jìn)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(jìn)行比較：

①電動機(jī)啟動性能，要求其配套的拖動裝置應(yīng)具備較軟的啟動特性；

②電動機(jī)的過載性能力；

③電動機(jī)的節(jié)電效果。

（2）額定功率、最大扭矩的選擇

抽油機(jī)輸入的功率就是電動機(jī)必須輸出的功率，抽油機(jī)系統(tǒng)的特性和功率要求隨不同電動機(jī)的選用而變化。電動機(jī)的選擇首先應(yīng)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(jī)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(shù)計算所需功率，電動機(jī)額定功率的選擇應(yīng)大于抽油機(jī)可能需求的最大功率，并要留有一定的余量。配備抽油機(jī)用電動機(jī)時除了滿足功率要求外，還應(yīng)滿足最大扭矩的要求，即傳到電動機(jī)軸上的最大扭矩不應(yīng)當(dāng)超過電動機(jī)允許的最大扭矩[2]。設(shè)減速箱曲柄最大扭矩為Τmax，電動機(jī)的最大扭矩為Τdmax，則有

式中：

i——為從電動機(jī)到減速箱曲柄軸的傳動比；

ηm——為從電動機(jī)到減速箱曲柄軸的傳動效率。

（3）抽油機(jī)拖動裝置的選擇方法

在選擇抽油機(jī)拖動裝置時，我們應(yīng)滿足抽油機(jī)曲柄旋轉(zhuǎn)扭矩的需求，因此選擇時必須要考慮電動機(jī)的扭矩。抽油機(jī)拖動裝置的選擇方法，依據(jù)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(qū)間數(shù)；

Τni——瞬時扭矩值。

電動機(jī)扭矩的計算方法：

式中：

M——電動機(jī)扭矩N·m；

P——電動機(jī)功率k W；

nd——電動機(jī)名牌轉(zhuǎn)速r/min。

對于不同種類的抽油機(jī)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(guī)Y系列電動機(jī)節(jié)能改造

3.1 實施節(jié)能改造的必要性

為節(jié)約生產(chǎn)資金投入，提高油田開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益，對于更換下來的常規(guī)Y系列電動機(jī)實施節(jié)能改造、重復(fù)利用有著深遠(yuǎn)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(jī)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(guān)。實現(xiàn)原電動機(jī)整體保留，減少了閑置資產(chǎn)。

（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(nèi)下入雙線圈，實現(xiàn)了“雙繞組改造”。改造后的“雙繞組電動機(jī)”需要配置專用控制柜，組合成“一體化”拖動裝置。實現(xiàn)過程簡單，依據(jù)抽油機(jī)負(fù)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(guī)電動機(jī)改為伺服電動機(jī)

在傳統(tǒng)電動機(jī)上進(jìn)行伺服控制改造，節(jié)能效果比常規(guī)電動機(jī)較好，但不及伺服永磁控制系統(tǒng)。

表1 伺服電動機(jī)價格表

（2）常規(guī)電動機(jī)改為雙功率電動機(jī)

技術(shù)上是成熟的，改造費用較低，節(jié)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(jī)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(jié)能改造價格表

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

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

依據(jù)采油六廠現(xiàn)場實際測試結(jié)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(chǎn)出效果分析表

從表中看出，常規(guī)電動機(jī)改為雙功率電動機(jī)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(jī)時應(yīng)盡量改為雙功率一體化，同時結(jié)合節(jié)能方案進(jìn)一步加大常規(guī)電動機(jī)改為雙功率一體化的規(guī)模。

5 結(jié)論

（1）節(jié)能電動機(jī)依據(jù)抽油機(jī)負(fù)載實現(xiàn)逐級匹配時，必須要作到理論計算結(jié)果與實際生產(chǎn)情況的結(jié)合，追求其最佳匹配效果。

（2）常規(guī)電動機(jī)在節(jié)能改造中應(yīng)追求經(jīng)濟(jì)、高效、實用的原則。

（3）伺服控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制和快速響應(yīng)特性對電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的實時調(diào)節(jié)，可以合理地協(xié)調(diào)驅(qū)動裝置的運行狀態(tài)，有效降低系統(tǒng)能耗。

[1]白連平.關(guān)于游梁式抽油機(jī)用電動機(jī)節(jié)能討論[J].石油機(jī)械,1999(3).

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

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

[4]戈璜.交流伺服異步電動機(jī)驅(qū)動抽油機(jī)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(yè)于大慶石油學(xué)院，從事油田節(jié)能方案設(shè)計工作，E-mail： dqhongweiwei@petrochina.com.cn，，地址：黑龍江省大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠工程技術(shù)大隊，163000。

2011-12-16)