抽油機用高效電動機節能技術及應用

呂亳龍　解紅軍　劉向陽　呂曉俐　雷　鈞

（1.中國石油天然氣股份有限公司規劃總院；2.中國石油長慶油田分公司）

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抽油機用高效電動機節能技術及應用

呂亳龍1解紅軍1劉向陽2呂曉俐2雷鈞2

（1.中國石油天然氣股份有限公司規劃總院；2.中國石油長慶油田分公司）

電動機是油田生產過程中最主要的耗電設備，其運行效率直接影響到機采系統能效水平，筆者對抽油機電動機運行現狀及能耗現狀進行了研究。通過分析抽油機負載變化特點，提出了抽油機電動機選配所需考慮的因素；跟蹤國內外主要抽油機電動機節能技術現狀，分析了其優缺點及適用范圍；并在350口抽油機井上應用永磁同步電動機、雙速雙功率節能電動機技術。項目實施后，有功節電率分別為23.85%、20.48%，區塊年節電量達187×104kWh，節電效果顯著。

抽油機電動機負載節能技術應用效果

電動機廣泛應用于石油石化、冶金、礦山等眾多領域，是機泵、風機、壓縮機等重要耗能設備的終端驅動裝置。據統計，2013年中國電動機保有量約21×108kW，年總耗電量約3.4×1012kWh，占全社會總用電量的64%；其中，工業領域電動機總耗電量為2.9×1012kWh，約占工業用電的75%，而超過90%在用低壓電動機屬于低效產品（能效等級不滿足GB 18613—2012規定的3級能效水平［1］，比IE2能效低3.0%，比IE3低4.5%）。

目前，中國石油在用抽油機16.6萬臺，總裝機容量403×104kW，年耗電量92×108kWh，約占勘探板塊總耗電量的47%，機采系統效率僅為24.6%，而國外油田機采系統平均效率達30.05%；目前仍有部分納入《高耗能落后機電設備（產品）淘汰目錄》（第1批至第3批）的低效抽油機電動機在用。低效電動機的使用，既不符合國家節約能源及循環經濟相關產業政策的要求，又造成巨大的能源浪費；因此，提高抽油機電動機運行能效水平是油田節約能源的必然趨勢。

1　抽油機電動機負載特點

游梁式抽油機采油系統由地面部分、井下部分和抽油桿柱3部分組成，是我國使用最多的采油方式，占所有抽油機的90%左右。系統運行動力來自于抽油機電動機，電動機軸上的總負荷轉矩為井下負荷轉矩和平衡機構轉矩之和，總負荷轉矩與井況和單井平衡狀態有關。抽油機負荷曲線如圖1所示［2］。

圖1　常規游梁式抽油機轉矩曲線

由圖1可見，抽油機系統工作周期內，負載不恒定且成波狀變化，有以下特點：

◇由載荷轉矩曲線可知，因井下供液情況變化，隨著抽油桿上下沖程運行，載荷呈不規則周期性波動，需施加平衡轉矩保證抽油機及電動機平穩安全運行；

◇平衡轉矩為抽油機平衡機構轉矩，是規則的正弦曲線；

◇因油井載荷轉矩不規則周期性變化，其與平衡轉矩形成的凈轉矩曲線常出現負功率；

◇負載轉矩平均值約為最大轉矩的1/3～1/2。

抽油機的不規則周期性波動負載，決定了需要選配較大啟動轉矩的驅動電動機；但抽油機正常運行中，由于平衡裝置的作用，驅動電動機大都處于輕載運行狀態，負載率較低，不可避免地形成負荷不足現象［3］。綜合考慮抽油機井修井、砂卡結蠟等因素導致負荷突變，以及抽油機野外工作等因素，抽油機電動機選配應具備以下特點：

◇適應較大幅度變化的脈動載荷；

◇具備較大的啟動轉矩和堵轉轉矩，啟動電流小；

◇調速范圍寬、低負載率運行時具有較高的功率因數和運行效率；

◇特殊抽油機井適應頻繁啟停及正反轉運行；

◇露天條件運行，維護簡單，運行可靠。

2　典型抽油機電動機節能技術

高效節能電動機是采用新型電動機設計、新工藝及新材料，通過降低電磁能、熱能和機械能的損耗，提高輸出效率，達到特定高效率標準要求的電動機。高效電動機總損耗比普通電動機低20%以上，效率平均高4%，節電率超過15%。

根據油田抽油機特殊的負載變化情況，對典型的抽油機電動機節能技術進行了研究分析（表1）。

不同的節能技術適用井況不同，應用時需根據現場抽油機井實際運行工況篩選合適的電動機節能技術，使抽油機與電動機較好匹配，提高機采系統效率。

3　技術應用案例

2014年，某油田區塊1所轄250口井應用了雙速雙功率節能電動機技術，區塊2所轄100口抽油機井應用了永磁同步電動機節能技術。

區塊1的抽油機電動機平均裝機功率為10.8 kW，平均單井輸入功率為3.32 kW，功率利用率為30.75%，抽油機平均泵效達53.2%，平均單井日產液量為4.36 t，系統效率達19.84%。由于區塊1抽油機電動機負載率相對較高，產液量大，突出矛盾在于抽油機電動機存在嚴重的負荷不足現象。為了保證抽油機啟動性能，電動機選配裝機容量較大，而正常運行時電動機輸入有功功率低，無功損耗較大；因而，選擇雙速雙功率節能電動機技術，運行時可根據負載自動匹配功率，降低電動機輸入功率，使電動機處于高負載率運行，提高系統效率和運行功率因數。

表1　典型抽油機電動機節能技術分析

表2　電動機節能技術應用前后能效監測結果

區塊2的抽油機電動機平均裝機功率為10.2 kW，平均單井輸入功率為2.18 kW，功率利用率為21.3%，抽油機平均泵效僅為23.7%，平均單井日產液量為1.14 t，系統效率達8.47%，電動機運行無功損耗大。該區塊產液量低，井下液量充滿度較差，負載率低，電動機長期處于低負載率運行導致無功損耗大，功率因數低，系統運行效率低；因而，選擇稀土永磁同步電動機技術，可使電動機在輕載到滿載之間均可保持高效率運行，降低電動機無功損耗。另外，稀土永磁同步電動機技術應用于長期處于低負載率運行的抽油機井時節能效果更佳。

通過實施電動機節能技術改造，應用前后的效果監測如表2所示。

由現場監測數據可知，區塊1雙速雙功率電動機節能技術應用后，平均系統效率提高了2.74%；抽油機在常態運行時，電動機自動切換至低功率擋運行，即電動機運行功率為7 kW，功率利用率達37.71%，較改造前提高了7百分點，有效地提高了電動機運行效率。經計算，實施電動機提效改造后，區塊平均有功節電率達20.48%，平均無功節電率達37.63%，綜合節電率達23.73%。按年工作350 d計算，平均單井年節電量為5712 kWh，區塊1電動機提效技術應用后年總節電量為143.37× 104kWh，折合標準煤460.22 t。

區塊2永磁同步電動機節能技術應用后平均系統效率提高了3.52%，由于該區塊井下液量充滿度較低，供液能力較差，因此系統效率整體較低。經計算，實施電動機提效改造后，區塊平均有功節電率達23.85%，平均無功節電率達67.04%，綜合節電率達35.39%。稀土永磁同步電動機技術應用時，可通過自動檢測控制器檢測負載變化而實現電動機無極調速，使電動機處于高功率利用率下運行。另外，由于稀土永磁同步電動機運轉時沒有無功勵磁電流，功率因數大幅提高，有效地降低了電動機運行中的無功損耗；因而，其運行效率較高，功率因數高，綜合節電效果較好。按每年工作350 d計算，平均單井年節電量為4368 kWh，區塊2電動機提效技術應用后年總節電量為43.68×104kWh，折合標準煤140.21 t。

4　結束語

高效電動機節能技術發展日新月異，在保證電動機轉速要求的前提下，逐步達到輸出轉矩與負載精確匹配，有效降低電動機有功功率和無功損耗，大幅提高電動機運行效率和運行功率因數。例如，“2015年國際高效電動機研討會”上，“繞組式永磁耦合調速節能電動機技術”的多項性能指標均超越了變頻調速器，亦可在抽油機井上試點應用，檢驗其節能提效效果。

除高效電動機技術研發與推廣外，要提升油田抽油機電動機運行能效水平，還需要從嚴格落實國家低效高耗淘汰產業政策、開展電動機系統用能診斷及系統匹配改造、普通電動機個性化高效再制造、相關政策激勵與標準約束等措施入手，根據抽油機井負載變化特點，切實開展個性化的電動機提效工作，提高電動機系統能效水平，提高能源利用率，最終達到節約能源的目的。

［1］中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級：GB 18613—2012［S］.北京：中國標準出版社，2012.

［2］吉效科.油田設備節能技術［M］.北京：中國石化出版社，2011：76-79.

［3］郭慧彬.油田電動機系統節能運行決策支持系統研究［D］.吉林：吉林大學，2009.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.12.006

2015-08-28）

呂亳龍，工程師，2012年畢業于中國石油大學（華東）（油氣儲運專業），從事油氣田與管道節能節水技術研究與管理支持工作，E-mail：lvbolong@petrochina.com.cn，地址：北京市志新西路3號中國石油規劃總院，100083。