應(yīng)用電動(dòng)機(jī)最大扭矩法更換節(jié)能電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法

李春瑜　朱榮杰　（大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠）

應(yīng)用電動(dòng)機(jī)最大扭矩法更換節(jié)能電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法

李春瑜朱榮杰（大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠）

計(jì)算抽油機(jī)啟動(dòng)過程電動(dòng)機(jī)峰值扭矩與運(yùn)轉(zhuǎn)過程電動(dòng)機(jī)平均扭矩的比值作為節(jié)能電動(dòng)機(jī)選型設(shè)計(jì)的依據(jù)，詳細(xì)介紹選型的設(shè)計(jì)過程，并通過計(jì)算實(shí)例和批量應(yīng)用作為驗(yàn)證；應(yīng)用電動(dòng)機(jī)最大扭矩法可以消除電動(dòng)機(jī)因轉(zhuǎn)速不一帶來的計(jì)算干擾，可作為老井列換節(jié)能電動(dòng)機(jī)時(shí)的設(shè)計(jì)選型方法。

電動(dòng)機(jī)；最大扭矩；比值；設(shè)計(jì)

在抽油機(jī)設(shè)計(jì)匹配電動(dòng)機(jī)容量時(shí)，為滿足抽油機(jī)的啟動(dòng)負(fù)載需求，通常配備較大的裝機(jī)功率，這種方法雖然可以滿足電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求，但也增加了電動(dòng)機(jī)的自身功率損耗，使其運(yùn)行效率降低，造成抽油機(jī)負(fù)荷不足。近年，在更新節(jié)能電動(dòng)機(jī)時(shí)通常采用降低1個(gè)電動(dòng)機(jī)機(jī)座號(hào)的經(jīng)驗(yàn)方法，這種方法缺乏足夠的理論支持，無法實(shí)現(xiàn)單井的個(gè)性化設(shè)計(jì)。筆者曾于2011年第2期刊物上發(fā)表了《應(yīng)用抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)扭矩曲線計(jì)算減速箱扭矩曲線》一文，但該文并沒有介紹應(yīng)用最大扭矩設(shè)計(jì)節(jié)能電動(dòng)機(jī)的方法。在本文中，將就這一方面的問題進(jìn)行探討。

1　電動(dòng)機(jī)輸出軸扭矩的計(jì)算方法

通常情況下，抽油機(jī)在正常運(yùn)行過程中消耗的有功功率并不大，為什么要選用較大功率的電動(dòng)機(jī)呢？其原因在于抽油機(jī)啟動(dòng)過程中需要較大的啟動(dòng)扭矩，這個(gè)啟動(dòng)扭矩需要由電動(dòng)機(jī)提供。從電動(dòng)機(jī)到抽油機(jī)減速箱輸出軸的傳動(dòng)效率不可人為改變，因而抽油機(jī)啟動(dòng)過程中作用于抽油機(jī)減速箱輸出軸的啟動(dòng)扭矩，通過齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)，以電動(dòng)機(jī)輸出軸扭矩的形式表現(xiàn)出來。

電動(dòng)機(jī)靠軸傳動(dòng)，它的輸出功率與輸出扭矩之間同樣遵循軸傳動(dòng)的功率與扭矩之間的關(guān)系，輸出軸扭矩的計(jì)算公式[1]為

式中：M——電動(dòng)機(jī)輸出軸扭矩消耗功率瞬時(shí)值，kN·m；

P——電動(dòng)機(jī)消耗功率瞬時(shí)值，kW；

n——電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，r/min。

2　電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)峰值扭矩與運(yùn)行過程平均扭矩的計(jì)算

通過公式（1）對(duì)24口井啟動(dòng)峰值扭矩和電動(dòng)機(jī)平均運(yùn)轉(zhuǎn)扭矩進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1　啟動(dòng)峰值扭矩和電動(dòng)機(jī)平均運(yùn)轉(zhuǎn)扭矩計(jì)算結(jié)果

由表1可知，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程峰值扭矩是電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程峰值扭矩的5.57～5.99倍，平均為5.77倍。

3　選用啟動(dòng)峰值扭矩法設(shè)計(jì)節(jié)能電動(dòng)機(jī)

通常情況下，采油廠系統(tǒng)效率測試上傳數(shù)據(jù)只有平均功率，可以計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)的平均運(yùn)行扭矩，因而可以利用啟運(yùn)峰值扭矩與平均運(yùn)行扭矩的比值進(jìn)行老井電動(dòng)機(jī)選型設(shè)計(jì)；而啟運(yùn)峰值扭矩與運(yùn)行峰值扭矩的比值則可用于新井電動(dòng)機(jī)選型設(shè)計(jì)[2]。由于目前選用電動(dòng)機(jī)相當(dāng)多的數(shù)量是高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)，它與相同極數(shù)的普通Y系列電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相差較大，因而在相同功率時(shí)電動(dòng)機(jī)提供的扭矩相差也較大；因此，選取扭矩法進(jìn)行設(shè)計(jì)則完全可以回避轉(zhuǎn)速問題。

錄取資料：原井電動(dòng)機(jī)型號(hào)、額定功率、額定轉(zhuǎn)速、原井系統(tǒng)效率測試數(shù)據(jù)中的平均功率。

設(shè)計(jì)方法：計(jì)算原電動(dòng)機(jī)平均運(yùn)行扭矩，計(jì)算公式如式（1）所示。當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率利用達(dá)到20%時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率可達(dá)到80%，之后呈線性上升；當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率利用達(dá)到40%時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率可以達(dá)到額定效率，因而電動(dòng)機(jī)效率可按表2選擇。

表2　電動(dòng)機(jī)工作效率選擇

計(jì)算最大扭矩：將計(jì)算得到的平均扭矩與設(shè)計(jì)倍數(shù)相乘（倍數(shù)選用6）。

確定電動(dòng)機(jī)型號(hào)：按照預(yù)先選用的電動(dòng)機(jī)查閱電動(dòng)機(jī)過載能力系數(shù)和額定扭矩，以電動(dòng)機(jī)過載能力系數(shù)和額定扭矩之積作為電動(dòng)機(jī)最大扭矩，選取最大扭矩大于計(jì)算最大扭矩且機(jī)座號(hào)最小的電動(dòng)機(jī)即可。

4　設(shè)計(jì)實(shí)例

以試驗(yàn)井1為例：該井機(jī)型為CYJY14-6-89HB，下入φ83 mm泵生產(chǎn)；沖程6 m，沖速5 min-1，產(chǎn)液62.4 t/d，含水98.5%，動(dòng)液面345.31 m，沉沒度467.83 m，電流平衡率87.1%；安裝電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y315M-8，電動(dòng)機(jī)額定功率75 kW。該井更換電動(dòng)機(jī)前測試曲線見圖1。

圖1　試驗(yàn)井1功率測試曲線

該井啟抽峰值功率135.55 kW，運(yùn)轉(zhuǎn)過程平均功率24.35 kW峰值功率60.15 kW，啟抽峰值功率是平均運(yùn)行功率的5.56倍，是運(yùn)行峰值功率的2.25倍。功率利用率32%，峰值功率利用率80%，因而選擇的電動(dòng)機(jī)平均工作效率為85%，峰值工作效率為91%。

利用上述數(shù)據(jù)計(jì)算扭矩繪出的曲線見圖2。

圖2　試驗(yàn)井1計(jì)算扭矩曲線

該井電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)峰值扭矩為1.602 6 kN·m，平均運(yùn)行扭矩0.269 0 kN·m，比值為5.96倍，按最大扭矩是平均運(yùn)行扭矩的6倍設(shè)計(jì)，計(jì)算扭矩為1.614 kN·m，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為6/8極高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩雙速雙功率電動(dòng)機(jī)，經(jīng)查DYG315L2-6/8，最大運(yùn)行扭矩1.754 1 kN·m。

安裝后，該井有功功率由24.35 kW下降到21.14 kW，有功節(jié)電率 13.18%；系統(tǒng)效率由10.03%上升到11.56%，系統(tǒng)效率上升15.18%。

應(yīng)用該方法共進(jìn)行了642口井的計(jì)算與設(shè)計(jì)，實(shí)踐證明，設(shè)計(jì)后的電動(dòng)機(jī)均可滿足抽油機(jī)啟動(dòng)要求，且有功節(jié)電率達(dá)11.03%，綜合節(jié)電率為12.14%，系統(tǒng)效率上升3.67百分點(diǎn)，提高12.51%。

5　結(jié)束語

1）應(yīng)用最大扭矩方法設(shè)計(jì)老井換電動(dòng)機(jī)可避免因電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不一致帶來的計(jì)算對(duì)比問題。

2）應(yīng)用該方法共設(shè)計(jì)更換節(jié)能電動(dòng)機(jī)642口井，實(shí)踐證明，設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)均可滿足抽油機(jī)啟動(dòng)要求，且收到一定的節(jié)能效果。

[1]張琪，采油工程原理與設(shè)計(jì)[M].北京：中國石油大學(xué)出版社，2000:52-72.

[2]邵海忠，最新使用電工手冊[M].北京：化工工業(yè)出版社，2000:28-35.

（編輯李發(fā)榮）

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.06.008

李春瑜，工程師，2007年畢業(yè)于東北石油大學(xué)，從事采油工程系統(tǒng)工作，E-mail：licy365@126.com，地址：黑龍江省大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠工程技術(shù)大隊(duì)，163001。

2016-01-15