大慶油田抽油機節能電機及其應用效果分析

戴洪森 （中石油大慶油田有限責任公司第三采油廠，黑龍江 大慶163256）

目前，油田使用的常規游梁抽油機屬于帶負荷啟動設備，穩定運轉時所需的轉矩較小，而在啟動時所需轉矩很大，因而在實際生產時必須使用比穩定時的運轉功率大得多的電機和大容量變壓器，這樣雖然解決了啟動問題，但由于電機正常運行在輕載狀態，降低了電網的功率因數和電機的效率，增加了無功消耗，從而嚴重影響了油田的經濟效益。為了改變上述狀況，大慶油田在常規游梁抽油機上使用了節能電機。下面，筆者以大慶油田第三采油廠為例，針對不同節能電機的應用情況進行了分析與探討。

1 有刷直流電機及應用效果評價

1.1 超高轉差率電機

1）主要技術特點 超高轉差率電機主要依靠降低轉子轉速來增加扭矩，從而降低裝機功率，最終達到系統節能的目的，具體內容如下：①超高轉差率電機的軟特性改變了光桿運行速度的規律，當遇到換向沖擊載荷和重載荷時，轉速下降。②超高轉差率電機啟動扭矩大、啟動電流小，降低裝機功率，使電機的固定損耗 （鐵損、機械損）降低 （見圖1）。但該電機也存在以下不足：①超高轉差率電機一般適用于振動載荷較大的井，而采油工藝要求大沖程、低沖次，這種工藝需要最大限度地減少慣性負荷和振動負荷，因而該電機的應用范圍被大大縮小。②由于該電機轉差率高，會導致載荷變化大的抽油機在運行過程中易出現丟轉現象。③只能在固定功率下運行，無法實現機采井運行負載與電機輸出負載間的合理匹配，最終影響電機運行效率。

圖1 電機功圖對比 （北2－4－467井）

2）應用效果 大慶油田第三采油廠有超高轉差率電機142臺投入運行 （其中低壓超高轉差率電機38臺，高壓超高轉差率電機104臺 （帶有660V節能防竊一體化拖動裝置）），裝機功率降低了20.4%，有功功率下降1.477kW，平均單井日節電35.4kW·h，平均有功節電率11.3%，功率因數上升了0.514。特別是高壓節能防竊一體化拖動裝置，不僅保證了油井正常生產，減少了生產成本開支，還有效遏制了私拉亂接現象，杜絕了油井竊電現象。

1.2 雙繞組電機 （雙速雙功率）

1）主要技術特點 雙繞組電機在設計上是在單槽內下入雙線，即形成了2套繞組 （稱之為啟動繞組和工作繞組），由此確保該電機具有2種功率，即啟動功率和運行功率。在控制系統中應用了Y－Δ轉換，使實際運行功率可以依據負載的需求多了一級功率的變換，最終達到節能的目的，具體內容如下：①電機啟動時，啟動繞組在額定功率下 （啟動功率）啟動電機，以滿足抽油機啟動時需高扭矩的要求，啟動后轉入正常運行。②正常運行時，負載下降，通過控制箱自動轉換到工作繞組上運行，電機的功率下降至運行功率。工作繞組將2個繞組串聯，運行功率的值是根據抽油機運行時的負載大小來決定的。③電機運行負載與輸出負載間匹配合理，確保了電機能夠高效運行。但該電機存在的缺點是無論進行大功率運行還是小功率運行，電機的機械特性都比較硬，不能很好地解決系統配合的問題。

2）應用情況 大慶油田第三采油廠第一油礦共安裝了143臺雙速雙功率節能電機，其中新井投產安裝75臺，節能電機改造安裝68臺，對68臺節能改造的電機安裝前后進行了電參測試，結果表明，有功功率下降1.16kW，平均單井日節電27.8kW·h，有功節電率10.6%，功率因數上升了0.383。

1.3 永磁同步電機

1）主要技術特點 該電機在結構上與Y系列電機相似，所不同的是在電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，減小了定子電流和定子電阻損耗 （見圖2），具體內容如下：①永磁同步電機為同步工作方式，轉子轉速與定子旋轉磁場完全同步，與異步電機相比，無轉差損耗。②解決了電容補償問題，可以省去無功補償電容器。③啟動轉矩大過載能力強，啟動轉矩為額定轉矩的3.0～4.0倍，能替換比其大1～2個功率等級的Y系列異步電機。但該電機存在以下不足：無法實現抽油機運行負載與電機輸出負載間的合理匹配；電機在額定功率運行時的機械特性比普通電機還硬，運行中無轉差；在重載井上啟動時電機易出現振動現象。

圖2 電機功圖對比 （北2－321－59井）

2）應用情況 大慶油田第三采油廠第一油礦共安裝永磁同步電機29臺，在抽油機上推廣應用永磁同步電機平均節電率15%～30%。據測試結果計算，平均每臺電機年節電23652kW·h，經濟效益12945元 （電費按0.5473元／（kW·h）計算）。

1.4 無觸點智能軟啟動自動變速電機

1）主要技術特點 該電機具有如下技術特點：①采用電壓諧波啟動控制方式，當電機啟動時，控制器將以最低的電壓啟動電機，按設置的軟啟動時間 （2～8s），平緩地提高電機電壓至全壓，減少電機啟動時的電流沖擊。②電機鼠籠轉子繞組的2個鑄鋁端環的圓周上有多個徑向通風冷卻的孔，能使轉子的轉矩特性適當變軟的同時而轉動不過熱。③該電機轉子軸上安裝了一個飛輪，能夠隔離各種沖擊轉矩和脈動轉矩。該電機存在以下不足：①軟啟動控制模板易損壞，對抽油機的正常運行造成很大影響。②由于采用電壓諧波啟動，在啟停過程中會產生諧波，這樣會污染電網。

2）現場應用情況 在20口抽油機載荷變化較大的井上安裝了智能軟啟動自動變速電機，該電機安裝前后電參測試結果表明，平均電機功率下降了6.9kW，平均有功功率降低了1.501kW，平均單井日節電36kW·h，有功節電率為19.7%，平均功率因數提高了0.522。

2 無刷直流電機及其使用效果評價

2.1 主要技術特點

（1）利用電子轉向器取代機械電刷和機械轉向器，使電機運行平滑穩定、電壓利用率高，節電效果好。

（2）電壓范圍寬，能適應電網電壓波動大的油井。

（3）載特性較軟。與有刷直流電機相比，無論高速運行還是低速運行，其負載特性都比較軟，適用于載荷變化的抽油機。

（4）調速范圍廣。有刷電機在需要低速大電流時，炭刷壓降較大，不宜長期運行，而電機在高速時又容易產生換向火花，高速上限較低。而無刷直流電機的調速范圍較寬，特別適用于變頻器調速范圍大的變頻器。

（5）電機運行效率高。有刷直流電機需要從電網能量建立電機主磁場，再加上炭刷的損耗，導致電機運行效率低；無刷直流電機通過轉子上永久磁鐵建立電機主磁場，節省了能量，因而電機運行效率較高。

3.2 現場應用情況

安裝無刷直流電機后，進行了現場電參測試，從電參測試結果看，使用該電機具有如下效果：①工作電流大幅度下降，平均工作電流由37.9A下降到25.4A，下降了12.5A。②功率因數提高 （由0.372提高到0.76），有功功率降低 （降低了4.03kW），日節電96.7kW·h，有功節電率為55.4%。③降低了交變載荷。北3－J4－60井安裝無刷直流電機前后功圖如圖3所示。由圖3可知，平均最大載荷由37.82kN降到33.62kN，下降了4.2kN，而交變載荷減少了10.84kN。

圖3 電機功圖對比 （北3－J4－60井）

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