抽油機(jī)井混合磁阻電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及評(píng)價(jià)

王永強(qiáng)（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

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抽油機(jī)井混合磁阻電動(dòng)機(jī)應(yīng)用及評(píng)價(jià)

王永強(qiáng)（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

針對(duì)油田三相異步電動(dòng)機(jī)存在能耗高、效率低及永磁電動(dòng)機(jī)存在退磁問題，在某采油廠現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用混合磁阻電動(dòng)機(jī)。利用磁通沿著磁阻最小路徑閉合的原理，將轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)成帶氣隙的結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)表明，與異步電動(dòng)機(jī)相比，混合磁阻電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)力矩大，降載效果好，裝機(jī)功率可下降32.7%，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速運(yùn)行并能有效提高電動(dòng)機(jī)效率；降低有功消耗，平均單井有功節(jié)電率達(dá)到13.65%。

抽油機(jī)磁阻電動(dòng)機(jī)節(jié)能

目前，油田生產(chǎn)對(duì)節(jié)能減排的要求日益迫切，在油井異步電動(dòng)機(jī)亟待更新淘汰的形勢(shì)下，永磁同步電動(dòng)機(jī)曾作為提高電動(dòng)機(jī)效率的主要措施推廣應(yīng)用；但隨著不可再生資源稀土的大量開采，導(dǎo)致礦產(chǎn)環(huán)境出現(xiàn)大面積不可逆的污染，稀土釹鐵硼材料對(duì)于應(yīng)用環(huán)境的要求比較高，在高溫、受沖擊、腐蝕性氣體等環(huán)境下都會(huì)造成退磁等現(xiàn)象，在生產(chǎn)中存在著一定的隱患。此外，超高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率低，雙功率電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性差等也制約了油井節(jié)能降耗的效益。傳統(tǒng)磁阻電動(dòng)機(jī)是上世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及效率高等特點(diǎn)；而新型混合磁阻電動(dòng)機(jī)則可以不使用稀土磁鋼或者極少使用稀土磁鋼［1］，在有效提高電動(dòng)機(jī)效率、降低損耗的同時(shí)，其可靠性、適應(yīng)性較好地彌補(bǔ)了以上電動(dòng)機(jī)的不足。

1　技術(shù)原理

混合磁阻同步電動(dòng)機(jī)（混磁電動(dòng)機(jī)）遵循磁阻最小原理：磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合，由磁場(chǎng)扭曲產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩［2］。混磁電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩由電樞電流和勵(lì)磁電流共同產(chǎn)生，通過電樞電流與勵(lì)磁電流給定的一般規(guī)律，確定電動(dòng)機(jī)效率最優(yōu)分布圖，使混合勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)在寬調(diào)速范圍內(nèi)保持電動(dòng)機(jī)的較高能量效率［3］。

其效率特性在于：由于混磁電動(dòng)機(jī)屬于同步電動(dòng)機(jī)的范疇，因此，具有與永磁同步電動(dòng)機(jī)相同的特性，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)完全同步，與異步電動(dòng)機(jī)相比，無轉(zhuǎn)差損耗具有較寬的有效負(fù)載區(qū)。

2　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及評(píng)價(jià)

現(xiàn)場(chǎng)主要開展混磁電動(dòng)機(jī)同功率級(jí)別替換試驗(yàn)，應(yīng)用混磁電動(dòng)機(jī)進(jìn)行裝機(jī)功率降級(jí)試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)混磁電動(dòng)機(jī)應(yīng)用時(shí)的效果進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)。

2.1同功率匹配現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)是目前油田應(yīng)用較多的節(jié)能電動(dòng)機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)選取同功率級(jí)別的高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)。測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1　10-1912井混磁電動(dòng)機(jī)同功率級(jí)別匹配現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果

2.2裝機(jī)功率降級(jí)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

7-2418井現(xiàn)場(chǎng)分別用45 kW、37 kW混磁電動(dòng)機(jī)替換55 kW異步電動(dòng)機(jī)。以37 kW混磁電動(dòng)機(jī)匹配為例，平均百米噸液耗電比試驗(yàn)前降低11.86%。

8-2688井用22 kW混磁電動(dòng)機(jī)替換45 kW異步電動(dòng)機(jī)，應(yīng)用后平均百米噸液耗電比試驗(yàn)前降低9.8%，無功功率降低了6.832 kvar。

2.3應(yīng)用混磁電動(dòng)機(jī)變速試驗(yàn)

混磁電動(dòng)機(jī)應(yīng)用伺服控制可進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了在線變速調(diào)節(jié)試驗(yàn)，能夠解決抽油機(jī)井每個(gè)沖程過程中交變載荷影響而產(chǎn)生的功率不平衡問題，從而進(jìn)一步改善井下泵動(dòng)作和電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效果。

在沖速不變的條件下，進(jìn)行上快下慢抽汲試驗(yàn)，平均速度比為2∶1，變速運(yùn)行時(shí)平均泵效為66.61%，比同等沖速下勻速運(yùn)行時(shí)的泵效高5.58百分點(diǎn)（表2）。

表2　7-2418井混磁電動(dòng)機(jī)變速試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

2.4混磁電動(dòng)機(jī)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，混磁電動(dòng)機(jī)能降低油井峰值載荷：現(xiàn)場(chǎng)分別測(cè)試5-2411井、8-2688井示功圖，對(duì)比交變載荷變化；應(yīng)用混磁電動(dòng)機(jī)后，峰值載荷均有所降低，泵依然保持了有效充滿，交變載荷變化平穩(wěn)。

8-2688井最大載荷由55.65 kN下降到50.61 kN，下降5.04 kN，最小載荷由25.22 kN上升到30.41 kN，上升5.19 kN。

啟動(dòng)電流測(cè)試對(duì)比有明顯下降，實(shí)現(xiàn)了軟啟，減緩硬沖擊。如圖1、圖2所示，從7-2418井前后啟動(dòng)電流的測(cè)試對(duì)比看，啟動(dòng)峰值電流從390.9 A下降到57.86 A，平均下降了85%。

圖1　7-2418井前期啟動(dòng)電流曲線

混磁電動(dòng)機(jī)具有消除負(fù)功發(fā)電作用。針對(duì)油井倒發(fā)電的狀態(tài)，混磁電動(dòng)機(jī)可以通過高精度的速度跟隨特性，在電動(dòng)機(jī)速度降低到接近于勢(shì)能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化的時(shí)刻，平滑地使電動(dòng)機(jī)切入運(yùn)行，降低因電動(dòng)機(jī)倒發(fā)電引起的電動(dòng)機(jī)損耗（圖3）。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行能耗測(cè)試計(jì)算。應(yīng)用混磁電動(dòng)機(jī)后，單井綜合節(jié)電率可達(dá)到30.53%，年節(jié)電7.87× 104kWh，折合標(biāo)煤9.67 t，年節(jié)約電費(fèi)6.17萬元，減少CO2排放15.6 t。

圖2　7-2418應(yīng)用混磁電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流曲線

圖3　混磁電動(dòng)機(jī)消除負(fù)功發(fā)電時(shí)電流測(cè)試曲線

3　結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）新型混合磁阻電動(dòng)機(jī)具有較寬的效率范圍，因此，適用于油田抽油機(jī)井高耗能異步電動(dòng)機(jī)的更新匹配，可以降低電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)功率，提高電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)和效率，減少電能消耗。

2）對(duì)于產(chǎn)能變化頻繁、需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)參的抽油機(jī)井，應(yīng)用混合磁阻電動(dòng)機(jī)可進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，能有效解決沖速動(dòng)態(tài)調(diào)整的問題。

3）混合磁阻電動(dòng)機(jī)采用伺服控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、抽汲參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有利于提高油井的自動(dòng)化管理水平。

［1］王洪武，陳業(yè)明，陳磊，等.同步磁阻電動(dòng)機(jī)矢量控制研究［J］.微特電動(dòng)機(jī)，2015，43（4）：74-76.

［2］顧仲圻，周鶚.新型磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)，1985（1）：52-59.

［3］朱孝勇，程明，趙文祥，等.混合勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)技術(shù)綜述與發(fā)展展望［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23（1）：30-37.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.12.007

2015-09-22）

王永強(qiáng)，高級(jí)工程師，1999年畢業(yè)于華東石油大學(xué)（石油工程專業(yè)），從事油氣田采油工程技術(shù)工作，E-mail：wangyongqiang1@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(duì)，163114。