BS永磁無(wú)刷直流動(dòng)力系統(tǒng)在游梁式抽油機(jī)上的應(yīng)用

朱益飛 肖志勇

（1.中國(guó)石化勝利油田分公司孤東采油廠；2.中國(guó)石化勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心）

引言

游梁式抽油機(jī)作為油田生產(chǎn)的重點(diǎn)能耗設(shè)備，普遍存在著高能耗、低產(chǎn)出、沖程和沖速調(diào)節(jié)不方便等明顯的缺點(diǎn)［1］。油氣生產(chǎn)開發(fā)企業(yè)既是能源生產(chǎn)企業(yè)，也是耗能大戶。以勝利油田為例，目前全油田游梁式抽油機(jī)的保有量在2 萬(wàn)臺(tái)以上，電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘吭?0×104kW 以上，油田機(jī)采系統(tǒng)年耗電量20×108kWh，約占油田年消耗總電量的30%，平均噸油能耗量達(dá)110 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤。游梁式抽油機(jī)約占油田機(jī)械采油系統(tǒng)90%，而游梁式抽油機(jī)裝配的電動(dòng)機(jī)以Y 型三相異步電動(dòng)機(jī)為主［2］。由于游梁式抽油機(jī)是上下運(yùn)動(dòng)，負(fù)載變化差異很大，采用曲柄加重的旋轉(zhuǎn)平衡，電動(dòng)機(jī)負(fù)載仍然呈現(xiàn)周期性變化；加之重載啟動(dòng)，為確保可靠啟動(dòng)和正常運(yùn)行，所配電動(dòng)機(jī)額定功率都比運(yùn)行平均功率大，因而除運(yùn)行負(fù)載峰值較大外，大部分時(shí)段處于輕載以至空載運(yùn)行，造成抽油機(jī)油井效率低、能源浪費(fèi)嚴(yán)重以及影響設(shè)備使用壽命等問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)油井節(jié)能降耗，提高能源利用效率的基礎(chǔ)上，提出了BS 永磁無(wú)刷直流動(dòng)力系統(tǒng)在游梁式抽油機(jī)上的應(yīng)用課題，并取得了良好的效果。

1 BS 永磁無(wú)刷直流動(dòng)力系統(tǒng)

BS 永磁無(wú)刷直流動(dòng)力系統(tǒng)主要由無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和專用控制器兩部分組成。具有高效率特性，無(wú)須從電網(wǎng)吸取勵(lì)磁電流，其理論功率因數(shù)為1，實(shí)際上功率因數(shù)接近1。它與三相異步電動(dòng)機(jī)相比平均有功節(jié)電率可達(dá)20%～40%，無(wú)功節(jié)電率高達(dá)80%以上。

游梁式抽油機(jī)屬于位能性負(fù)載，尤其當(dāng)配重不平衡時(shí)，電動(dòng)機(jī)由于位能或慣性，在整個(gè)沖速的某個(gè)階段，負(fù)載拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速比控制器輸出占空比所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速高，電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)，通過(guò)采取能量回饋方式，把抽油機(jī)所產(chǎn)生的再生能量加以重新利用；同時(shí)高性能回饋式制動(dòng)單元內(nèi)部已經(jīng)安裝有電抗器和噪聲濾波器，并達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)可直接和電網(wǎng)駁接使用，取得最佳節(jié)能效果，經(jīng)檢測(cè)節(jié)能率可提高10%以上。系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）電動(dòng)機(jī)效率高。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上既無(wú)銅損又無(wú)鐵損，所以運(yùn)行效率比同容量異步電動(dòng)機(jī)高5%～12%。

2）功率因數(shù)高。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)須從電網(wǎng)吸取勵(lì)磁電流，功率因數(shù)接近1。

3）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流小。BS 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性與直流電動(dòng)機(jī)樞控時(shí)相應(yīng)特性類似，所以它的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流小，調(diào)速范圍寬，電子換向取代了機(jī)械換向，克服了電刷換向器換向方面的缺點(diǎn)。

4）電動(dòng)機(jī)出力高。該電動(dòng)機(jī)的體積和最高工作轉(zhuǎn)速相同時(shí)，較異步電動(dòng)機(jī)輸出功率提高30%。

5）適應(yīng)性強(qiáng)。調(diào)速精度高，調(diào)速范圍廣，過(guò)載能力強(qiáng)，電源電壓偏離額定值15%，環(huán)境溫度相差40 K；以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩從0～100%額定轉(zhuǎn)矩波動(dòng)時(shí)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)偏差，不大于設(shè)定轉(zhuǎn)速的1%。該電動(dòng)機(jī)還適合長(zhǎng)期低速運(yùn)轉(zhuǎn)、頻繁啟動(dòng)的場(chǎng)合，這是變頻調(diào)速器拖動(dòng)Y 系列電動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，電動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，滿足電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控的工作要求，符合智能化油田建設(shè)需要。

6）穩(wěn)定性好。BS 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種自控式調(diào)速系統(tǒng)，它無(wú)須像普通同步電動(dòng)機(jī)那樣需要啟動(dòng)繞組，在負(fù)載突變時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步，而且制動(dòng)特性良好。

7）具有直流電動(dòng)機(jī)特性。該電動(dòng)機(jī)具有直流電動(dòng)機(jī)特性、交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，它保留了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了電刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和故障率高的缺點(diǎn)。

8）低頻轉(zhuǎn)矩大。低速可以達(dá)到理論轉(zhuǎn)矩輸出，激活轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到兩倍或更高。允許高頻度快速激活，電動(dòng)機(jī)不發(fā)燙。

9）高精度運(yùn)轉(zhuǎn)。不超過(guò)1 轉(zhuǎn)（不受電壓變動(dòng)或負(fù)載變動(dòng)影響），沒有無(wú)線電干擾，沒有電刷摩擦產(chǎn)生的火花，適合惡劣工作環(huán)境，適合高頻度快速啟動(dòng)場(chǎng)合。

10）具有柔性啟動(dòng)和設(shè)備保護(hù)功能。異步電動(dòng)機(jī)在工頻狀態(tài)下啟動(dòng)時(shí)，帶負(fù)載啟動(dòng)電流相當(dāng)于7～9 倍的額定電流，因此，通常在電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載啟動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)設(shè)備和供電電網(wǎng)造成很大沖擊，對(duì)設(shè)備運(yùn)行極為不利，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生抽油機(jī)斷脫現(xiàn)象。在利用BS 永磁無(wú)刷直流動(dòng)力系統(tǒng)改造后實(shí)現(xiàn)設(shè)備柔性啟動(dòng)，將會(huì)使啟動(dòng)電流大大降低；且可根據(jù)實(shí)際負(fù)載所需功率輸出相應(yīng)的電流，既節(jié)能又減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，避免了對(duì)電動(dòng)機(jī)、變速箱、抽油機(jī)等過(guò)大的機(jī)械沖擊，大大地延長(zhǎng)了相關(guān)設(shè)備的使用壽命；同時(shí)，具有過(guò)流、過(guò)載、過(guò)壓和電網(wǎng)保護(hù)功能。

2 與Y 系列異步電動(dòng)機(jī)的比較

8 極45 kW 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與Y 系列異步電動(dòng)機(jī)在不同運(yùn)行功率下功率因數(shù)與運(yùn)行效率的比較，見表1。

表1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和Y 系列電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)與運(yùn)行效率的比較

由表1 可知，電動(dòng)機(jī)功率相同時(shí)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)效率和功率因數(shù)高于Y 系列電動(dòng)機(jī)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該系統(tǒng)于2010年4月在某油田29-27 井上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果進(jìn)行應(yīng)用前后跟蹤測(cè)試。其應(yīng)用前后油井測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比見表2。

表2 應(yīng)用前后油井測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

由表2 可知，該井在安裝BS 無(wú)刷直流動(dòng)力系統(tǒng)后，油井電動(dòng)機(jī)有功功率由9.4 kW 下降到6.7 kW，減少了2.7 kW，日節(jié)電65 kWh，年節(jié)電23 725 kWh；無(wú)功功率由23.3 kvar 降低到0.27 kvar，下降了23.03 kvar；油井電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)由0.361 提高到0.998，提高了0.637；有功節(jié)電率達(dá)到28.72%，無(wú)功節(jié)電率達(dá)到98.8%，取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用效果。按照節(jié)約1 kWh 電量減排0.997 kg 二氧化碳，即減少0.272 kg 碳，則更換1 臺(tái)BS 無(wú)刷直流動(dòng)力系統(tǒng)每年可減少碳排放6 453.2 kg。

4 綜合效果評(píng)價(jià)

1）該系統(tǒng)與普通電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相比，具有良好的節(jié)能降耗效果，平均有功節(jié)電率達(dá)到28.72%，無(wú)功節(jié)電率達(dá)到98.8%。

2）系統(tǒng)調(diào)速操作方便快捷，有利于油井根據(jù)生產(chǎn)需要，及時(shí)調(diào)整油井沖速，使油井參數(shù)調(diào)整變得更加簡(jiǎn)單，極大地減輕了員工的工作強(qiáng)度，提高了油井調(diào)參操作的安全程度。

3）產(chǎn)品性能安全可靠，自投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用以來(lái)，該系統(tǒng)運(yùn)行正常，極少發(fā)生運(yùn)行機(jī)制故障，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)簡(jiǎn)單，減輕了員工的維護(hù)工作強(qiáng)度。

4）該系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有監(jiān)測(cè)傳感裝置，通過(guò)自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的電流變化，能夠判斷抽油機(jī)運(yùn)行機(jī)制所需要的實(shí)時(shí)功率，并將信號(hào)傳給控制柜的控制裝置，再由控制裝置調(diào)整電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率，大幅度減少電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率，使功率因數(shù)接近于1，提高了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行機(jī)制效率。同時(shí)，控制裝置具有智能型特點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，符合智能化油田建設(shè)需要。

5）該系統(tǒng)與安裝油井變頻控制系統(tǒng)相比，具有性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。可以替代目前在用的油井變頻控制柜+Y 系列電動(dòng)機(jī)、減速裝置+Y 系列電動(dòng)機(jī)、油井電磁調(diào)速裝置等調(diào)速系統(tǒng)，是一種新型抽油機(jī)節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)。

BS 無(wú)刷直流動(dòng)力系統(tǒng)是專門針對(duì)目前油田抽油機(jī)的運(yùn)行情況而設(shè)計(jì)的新型節(jié)能產(chǎn)品，它可以使抽油機(jī)運(yùn)行更加合理、調(diào)速操作更加方便，能耗更低，節(jié)能效果好，智能化程度高，是替代Y 系列異步電動(dòng)機(jī)的理想產(chǎn)品，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]程明,劉佳暢.淺談變頻技術(shù)在油田抽機(jī)上的應(yīng)用[J].變頻技術(shù)應(yīng)用,2011,6(1):94-114.

[2]朱益飛.油井專用能量回饋式變頻器在油田的應(yīng)用[J].變頻器世界,2009,10(11):Z5-Z8.