雙速電動機與變頻技術在抽油機上的應用

馬曉薇 （大慶油田有限責任公司第一采油廠）

雙速電動機與變頻技術在抽油機上的應用

馬曉薇 （大慶油田有限責任公司第一采油廠）

抽油機懸點載荷具有波動性，所用電動機的負載也是交替變化，為了適應啟動時大功率需要，抽油機配備的電動機功率較大；而正常運行時其負載較輕、運行效率低，造成能耗的浪費。為了降低機采能耗，近年來在抽油機上應用了較多的節能技術。針對現場應用較多的雙速雙功率電動機和變頻控制柜兩種技術，分別對其工作原理、節能特點、實際效果、具有的優勢等方面進行分析與闡述。

雙功率電動機；變頻控制柜；抽油機；高效；節能

前言

游梁式抽油機作為油田生產中的使用量最大的一種機械設備，具有結構簡單、故障率低的特點。抽油機基本功能是為井下抽油泵提供運動動力，從一定的井深抽出一定數量的原油。常規游梁式抽油機特點是結構簡單，維修方便，可以常年累月全天候在野外工作，工作可靠,故障率低。在大慶油田中，游梁式抽油機井占整個機采井總數的80%，機采井耗電量占油田總耗電量的50%左右。抽油機節能追求的是電動機輸出功率與抽油機負載啟動與運行時所需功率的合理匹配。據資料統計，1臺抽油機實際運行時平均功率只占裝機容量的20%，電動機負載率約為16%，低效率的現狀，造成了電力能源和設備資源的浪費。由于抽油機效率與耗電量之間有著緊密關系，目前節電措施主要是提高效率和功率因數，即提高電動機的負載率。大慶油田現場應用的主要節能設備有高轉差雙轉速電動機、變頻調速裝置、雙功率電動機、電磁調速電動機等。以大慶某采油廠抽油機上應用的雙速雙功率電動機和變頻控制柜為例，對其工作原理、節能特點、實際效果、具有的優勢等方面分別進行分析與闡述。

1 抽油機電動機的運行特性

抽油機工作時驢頭懸點上作用的載荷是變化的，上下沖程負荷是波動的。為了減小抽油機上下沖程負荷的波動，一般在抽油機的曲柄上加平衡配重。在懸點下沖程時，依靠抽油桿柱下落所釋放出的位能，以及電動機輸出部分能量，把平衡塊從低處抬到高處，以增加平衡塊的位能；在上沖程時，平衡塊由高處下落，把下沖程時儲存的位能釋放出來，幫助電動機提升抽油桿和液柱重量，減少電動機在上沖程時所需輸出的能量。

抽油機所用的電動機工作載荷是帶沖擊的交變性載荷，與按恒定載荷設計制造的通用電動機的工作特性不相匹配。電動機其轉速隨載荷變化不大，由于抽油機負載具有波動性，在靜止狀態啟動載荷最大，是正常運行載荷的5～6倍。為了使抽油機可靠地啟動，在抽油機上無一例外地采用了較大功率電動機和變壓器，導致電網網損增加，電網容量得不到充分利用。電動機運行功率取決于負載率，抽油機電動機正常工作都是輕載運行，但是功率并沒有什么差別，就會造成許多電能都浪費在輕載時，從而導致抽油機系統效率低，電能浪費嚴重。

2 雙速雙功率電動機技術

2.1基本原理

雙速雙功率電動機是特種異步電動機，與普通電動機的區別在于定子繞組方式不同，具有啟動繞組和工作繞組兩套繞組。它利用換相變極繞組，通過改變接線方式，使之成為有抽頭的串聯繞組，實現電動機極數變化，從而改變了電動機轉速，再由控制器完成兩種功率的自動切換。當抽油機啟動時，要求電動機拖動的啟動力矩是抽油機正常運轉時的5～6倍，甚至會更大。所以，雙速雙功率電動機就是當抽油機啟動時以高功率運行，一旦電流降低到低功率運行時，由控制器自動切換至小功率狀態運行，避免造成過載現象導致能量損耗。它是在Y系列電動機的基礎上改造而成，將Y系列的一套繞組重新設計成兩套繞組，即一個多匝繞組和一個少匝繞組。多匝繞組的功率大，少匝繞組的功率小，滿載時多匝繞組運行，輕載時兩個繞組串聯運行，這樣電動機在啟動和運行過程中就可以獲得較好的效果。雙功率電動機適用于舊電動機的節能改造，可以組織回收普通Y系列電動機到廠家進行改造，可達到既節約資金又節電的效果。

2.2特點

雙速雙功率電動機的啟動轉矩大，啟動電流小，降低了電動機的鐵損、機械損等這些固定損耗；提高電動機利用率，保證電動機具有較高的效率、功率因數；適合于啟動時負荷較重，正常運行時低功率運行的特點；可以降低抽油機的裝機功率，節能效果明顯。雙速雙功率電動機配備2組皮帶輪，4個沖速，也為調參帶來方便。

2.3應用效果

在大慶油田某采油隊所安裝的60臺高啟動轉矩雙速雙功率電動機應用效果對比表[1]（表1）中可以看出，抽油機系統效率上升4.16個百分點，功率因數由 0.48提高到 0.59，有功功率降低了 2.74 kW，百米噸液耗電降低了0.44 kWh，總節電率按原有標準上升了15.5個百分點，節能效果明顯。由此可見，雙速雙功率電動機是抽油機節能的一個重要部分，既可以提高抽油機系統效率又可降低有功功率，實現真正意義上的節能降耗。

表1 高啟動轉矩雙速雙功率電動機應用前后效果對比

3 抽油機變頻技術

3.1變頻技術的基本原理

變頻調速技術，通過傳感器的應用進行模糊控制，變頻調速電動機能夠根據負荷的變化調節頻率，從而最大限度減少輸出功率，達到節能目的。在抽油機井生產過程中，通過調整變頻器內部的參考頻率來保持恒定的沖程次數，并根據電流頻率的變化，對抽油機的冗余電能進行優化傳遞，減少其中的電能損耗，使得采油效率始終保持一個最佳的狀態，有效地消除了設備空耗的現象。

3.2變頻控制柜特點及其使用效果

抽油機的變頻控制柜在采油管理中應用，可以低速輕載啟動[2]，實現抽油機的軟啟動，減少設備直接啟動時大電流對電動機的損害，實現電流保護、過電壓保護；能夠減少因工頻頻率直接啟動造成電動機以及電纜的絕緣損壞，減少維修次數，延長使用年限；具有良好的安全性能，有效控制抽油機運轉速度，減少運轉部分的機械磨損疲勞，避免過壓、過載等現象的發生；實現上快下慢的工作狀態，讓頻率在最低點和最高點之間進行合理分段工作，降低空耗。另外，變頻器還有把能量回饋給電網的功能，大大增加了采油運行設備的經濟效益。

大慶油田某采油礦近年來共在180口井上安裝了變頻控制柜，安裝前后數據對比分析表（表2）可知，有功功率和無功功率與安裝前相比都有所降低，功率因數由0.48升高到0.62，日節電35.66 kWh，綜合節電率提高了18.72%。

表2 抽油機變頻控制柜應用效果對比

4 結論

抽油機在油田采油生產中的位置舉足輕重，要想讓油田經濟效益得到最大化，增效節能勢在必行。從雙速雙功率電動機以及多功能變頻控制柜的使用效果看，抽油機的穩定工作，實現機采系統增效及節能目標，是機采系統節能降耗的重要技術手段之一。

[1]朱榮杰.雙速雙功率電動機及多功能調速原理與應用[R].（2015.8）[2015.11].

[2]劉英凡.變頻電氣控制柜的節能原理與效益[J].現代企業教育,2012（8S）:258.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.10.009

2016-04-16

（編輯 王艷）

馬曉薇，2013年畢業于東北林業大學，從事油田地面、采油技術與節能工作，E-mail：maxiaowei_a@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市大慶油田有限責任公司第一采油廠第四油礦，163001。