BS永磁無刷直流動力系統(tǒng)在游梁式抽油機上的應用

朱益飛 肖志勇

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

引言

游梁式抽油機作為油田生產(chǎn)的重點能耗設備，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［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的保有量在2 萬臺以上，電動機裝機總?cè)萘吭?0×104kW 以上，油田機采系統(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110 kg 標準煤。游梁式抽油機約占油田機械采油系統(tǒng)90%，而游梁式抽油機裝配的電動機以Y 型三相異步電動機為主［2］。由于游梁式抽油機是上下運動，負載變化差異很大，采用曲柄加重的旋轉(zhuǎn)平衡，電動機負載仍然呈現(xiàn)周期性變化；加之重載啟動，為確保可靠啟動和正常運行，所配電動機額定功率都比運行平均功率大，因而除運行負載峰值較大外，大部分時段處于輕載以至空載運行，造成抽油機油井效率低、能源浪費嚴重以及影響設備使用壽命等問題。為實現(xiàn)油井節(jié)能降耗，提高能源利用效率的基礎上，提出了BS 永磁無刷直流動力系統(tǒng)在游梁式抽油機上的應用課題，并取得了良好的效果。

1 BS 永磁無刷直流動力系統(tǒng)

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

游梁式抽油機屬于位能性負載，尤其當配重不平衡時，電動機由于位能或慣性，在整個沖速的某個階段，負載拖動電動機的轉(zhuǎn)速比控制器輸出占空比所對應的轉(zhuǎn)速高，電動機處于再生發(fā)電狀態(tài)，通過采取能量回饋方式，把抽油機所產(chǎn)生的再生能量加以重新利用；同時高性能回饋式制動單元內(nèi)部已經(jīng)安裝有電抗器和噪聲濾波器，并達到國家標準可直接和電網(wǎng)駁接使用，取得最佳節(jié)能效果，經(jīng)檢測節(jié)能率可提高10%以上。系統(tǒng)具有以下特點：

1）電動機效率高。永磁無刷直流電動機轉(zhuǎn)子上既無銅損又無鐵損，所以運行效率比同容量異步電動機高5%～12%。

2）功率因數(shù)高。永磁無刷直流電動機無須從電網(wǎng)吸取勵磁電流，功率因數(shù)接近1。

3）啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小。BS 永磁無刷直流電動機的機械特性和調(diào)節(jié)特性與直流電動機樞控時相應特性類似，所以它的啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小，調(diào)速范圍寬，電子換向取代了機械換向，克服了電刷換向器換向方面的缺點。

4）電動機出力高。該電動機的體積和最高工作轉(zhuǎn)速相同時，較異步電動機輸出功率提高30%。

5）適應性強。調(diào)速精度高，調(diào)速范圍廣，過載能力強，電源電壓偏離額定值15%，環(huán)境溫度相差40 K；以及負載轉(zhuǎn)矩從0～100%額定轉(zhuǎn)矩波動時，無刷直流電動機的實際轉(zhuǎn)速與設定轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)偏差，不大于設定轉(zhuǎn)速的1%。該電動機還適合長期低速運轉(zhuǎn)、頻繁啟動的場合，這是變頻調(diào)速器拖動Y 系列電動機不可能實現(xiàn)的。同時，電動機可實現(xiàn)遠程監(jiān)控，滿足電動機運行狀態(tài)遠程監(jiān)控的工作要求，符合智能化油田建設需要。

6）穩(wěn)定性好。BS 永磁無刷直流電動機是一種自控式調(diào)速系統(tǒng)，它無須像普通同步電動機那樣需要啟動繞組，在負載突變時，不會產(chǎn)生振蕩和失步，而且制動特性良好。

7）具有直流電動機特性。該電動機具有直流電動機特性、交流電動機的結(jié)構(gòu)，它保留了傳統(tǒng)直流電動機的所有優(yōu)點，同時克服了電刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)復雜和故障率高的缺點。

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

9）高精度運轉(zhuǎn)。不超過1 轉(zhuǎn)（不受電壓變動或負載變動影響），沒有無線電干擾，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場合。

10）具有柔性啟動和設備保護功能。異步電動機在工頻狀態(tài)下啟動時，帶負載啟動電流相當于7～9 倍的額定電流，因此，通常在電動機帶負載啟動時，會對設備和供電電網(wǎng)造成很大沖擊，對設備運行極為不利，嚴重時還會發(fā)生抽油機斷脫現(xiàn)象。在利用BS 永磁無刷直流動力系統(tǒng)改造后實現(xiàn)設備柔性啟動，將會使啟動電流大大降低；且可根據(jù)實際負載所需功率輸出相應的電流，既節(jié)能又減少了對電網(wǎng)的沖擊，避免了對電動機、變速箱、抽油機等過大的機械沖擊，大大地延長了相關(guān)設備的使用壽命；同時，具有過流、過載、過壓和電網(wǎng)保護功能。

2 與Y 系列異步電動機的比較

8 極45 kW 永磁無刷直流電動機與Y 系列異步電動機在不同運行功率下功率因數(shù)與運行效率的比較，見表1。

表1 無刷直流電動機和Y 系列電動機的功率因數(shù)與運行效率的比較

由表1 可知，電動機功率相同時，無刷直流電動機效率和功率因數(shù)高于Y 系列電動機。

3 現(xiàn)場應用

該系統(tǒng)于2010年4月在某油田29-27 井上進行現(xiàn)場應用試驗，并對現(xiàn)場應用效果進行應用前后跟蹤測試。其應用前后油井測試數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 應用前后油井測試數(shù)據(jù)對比

由表2 可知，該井在安裝BS 無刷直流動力系統(tǒng)后，油井電動機有功功率由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；無功功率由23.3 kvar 降低到0.27 kvar，下降了23.03 kvar；油井電動機功率因數(shù)由0.361 提高到0.998，提高了0.637；有功節(jié)電率達到28.72%，無功節(jié)電率達到98.8%，取得了良好的現(xiàn)場試驗應用效果。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BS 無刷直流動力系統(tǒng)每年可減少碳排放6 453.2 kg。

4 綜合效果評價

1）該系統(tǒng)與普通電動機系統(tǒng)相比，具有良好的節(jié)能降耗效果，平均有功節(jié)電率達到28.72%，無功節(jié)電率達到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，及時調(diào)整油井沖速，使油井參數(shù)調(diào)整變得更加簡單，極大地減輕了員工的工作強度，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)場應用以來，該系統(tǒng)運行正常，極少發(fā)生運行機制故障，現(xiàn)場維護簡單，減輕了員工的維護工作強度。

4）該系統(tǒng)的電動機內(nèi)裝有監(jiān)測傳感裝置，通過自動連續(xù)監(jiān)測電動機的電流變化，能夠判斷抽油機運行機制所需要的實時功率，并將信號傳給控制柜的控制裝置，再由控制裝置調(diào)整電動機的運行功率，大幅度減少電動機的無功功率，使功率因數(shù)接近于1，提高了電動機的運行機制效率。同時，控制裝置具有智能型特點，電動機可實現(xiàn)遠程監(jiān)控，符合智能化油田建設需要。

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

BS 無刷直流動力系統(tǒng)是專門針對目前油田抽油機的運行情況而設計的新型節(jié)能產(chǎn)品，它可以使抽油機運行更加合理、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 系列異步電動機的理想產(chǎn)品，具有良好的推廣應用價值。

[1]程明,劉佳暢.淺談變頻技術(shù)在油田抽機上的應用[J].變頻技術(shù)應用,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用[J].變頻器世界,2009,10(11):Z5-Z8.