油田抽油機電機節能方式探討

李東波+李嘉煒+鞏建衛+馮勝利

摘 要：電動機是油田機采系統最主要也是最終端的用電設備，是提高整個電力系統的效率的最大潛力點。當前油田電能消耗浪費嚴重的一個重要原因是電動機配置不合理，普遍存在著“大馬拉小車”現象。本文通過分析電動機的節能運行方式，探討游梁式抽油機電動機的節能方法和新型節能電機的選用，為抽油機電機的節能找到途徑。

關鍵詞：抽油機電機；節能運行；節能電機

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.051

0 引言

游梁式抽油機是目前油田主要的機采設備，由于抽油機具有自身的機械平衡裝置和周期脈動的負載特性，所以要求電機具有高啟動扭矩，才能保證抽油機在靜止狀態下啟動起來，這樣就要求配置的電機啟動轉矩要大，當抽油機啟動以后正常運行時負載下降，電機在輕載下工作，功率因數和效率急劇下降，造成“大馬拉小車”現象，測試數據顯示抽油機電機效率多在40%～60%、功率因數在0.2～0.5之間，造成損耗嚴重的不良現象。

1 通過電機的經濟運行來達到節電的目的

三相異步電動機運行在額定負載時其效率最佳，但游梁式抽油機電機負載率很低，而且處于不斷變化狀態，電機的運行效率和功率因數一般都很低，對一般的三相異步電動機提高經濟運行性能可采取的措施有降壓運行節電法和星角變換節電法。

1.1 降壓運行節電法

降壓運行能提高功率因數，還能降低損耗，提高效率，在我廠的油井現場進行了試驗，降低了勵磁電流損耗，有一定的節電效果。

原理：一般情況下，異步電動機運行時，線路電壓全部施加于定子繞組上，異步電動機的勵磁電流總是基本不變的，而勵磁電流幾乎為純電感性，功率因數接近0。從空載到滿載，由于電壓基本不變，所以勵磁電流分量基本不變，鐵損也基本不變，并一直為最大值，這個電流在電機繞組內部也造成定子銅損，消耗電能。所以，如果當電動機空載或輕載時，如能自動降低電壓運行（維持轉速基本不變），則鐵損和銅耗會減少，電網的功率因數亦提高。異步電動機降壓運行的控制原理，就是以定子電壓和電流間的相位角為控制量，去觸發串接在電動機上的雙向可控硅或自藕變壓器的檔位，使施加于電動機的電壓和電流的相角基本保持不變，自動調整電動機的輸入電壓。其缺點是，降低電壓需要配置調壓設備，增加投資和維護工作量，現場適應性較差。

1.2 異步電動機的星角變換

Δ形接線的異步電動機，空載或輕載時，由Δ形接線換接為Y形接線可以達到節電的目的。電動機的相電壓只有原有的1/，這時的鐵損只是原來鐵損的（1/3） ，輸出功率相應下降為原來的1/3，如果電動機Δ形接線時的負載率β為33%，則在電源電壓及負荷未變的情況下，改為Y形接線時，負載率變為100%，功率因數和定子電流將明顯得到改善。

Y形接線帶負載后，有功功率的節約隨負載的增加而減少，當負載增至某一臨界值時，電動機Δ形接線方式和Y形接線方式的損耗相等，效率相同，此時應立即將定子繞組改為Δ形接法。一般情況下當負載率低于40%時，由Δ形接線改為Y形接線可以節電。

經過多井次現場試驗，異步電動機的星角切換節電法具有設備投資小、現場實用性強、節能效果顯著、易于維護等諸多優點，適合抽油機電機“大馬拉小車”的運行工況，現場改造易于實現，在我廠抽油機電機節能領域得到應用。

2 選擇節能型電機達到節能降耗的目的

抽油機電機在運行過程中，電機的輸出功率隨著載荷的變化而變化，如能在負載工況變化時電動機的輸出功率與負載變化實現自動的合理匹配，將使電力拖動系統實現高效運行。

在節能電機的選型工作中，我廠曾投入運行的電動機主要有以下幾種：

2.1 高轉差電機

高轉差電動機依靠降低轉子轉速來達到增加扭矩從而降低裝機功率的目的。高轉差電機與普通Y系列電機相比，具有以下特點：

（1）超高轉差率電機啟動轉矩大，可以降低抽油機電機的容量，在一定程度上避免大馬拉小車，取得良好的匹配，電機固定損耗（鐵損、機械耗）及可變損耗均大大降低；

（2）生產運行過程中高轉差電機比常規Y系列電機平均效率高；

（3）由于轉差率高的緣故，在運行過程中易出現丟轉現象。

2.2 永磁同步電機

永磁同步電機與感應電機相比，電機轉子內鑲入永磁鐵，使轉子自身具有高強度磁場，可以用來取代電動機轉子的電勵磁，即不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數，減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩定運行時沒有轉子電阻損耗，其效率比同規格電動機提高2-8%。而且永磁同步電動機在25%-120%額定負載范圍內均可保持較高的效率和功率因數，使輕載運行時節電效果更為顯著，而且啟動轉距較異步電動機大，額定功率可以比異步電動機降低一個等級。該型電動機的特點是：

（1）效率高、高效區范圍寬。

（2）功率因數高，無功節電效果相當顯著。

（3）起動力矩大、過載能力強，在匹配合理的條件下、節電效果顯著。

（4）制造成本較常規Y系列電機要高出至少40%左右。

2.3 雙繞組電機

雙繞組電機在設計上是在單槽內下入雙線，即形成了兩套繞組。稱之為啟動繞組和工作繞組，該電機具有兩種功率即啟動功率和運行功率。在控制系統中巧妙的應用了Y一△轉換，使實際的運行功率可以依據負載的需求實現三級功率的變換。啟動時將啟動繞組接成△形，滿足抽油機啟動時對電機轉矩的要求；電機在正常運行時，兩套繞組串聯接成△形，能滿足負載率為50%時抽油機對電機轉矩的要求；當負載率為30%以下時，啟動繞組接成Y形。實現了運行負載與電機輸出負載間的三級匹配。其特點是：

（1）借助于專用的控制系統，能在三個功率下依據負載需求自動切換運行。

（2）電機啟動時，能滿足抽油機啟動時需高扭矩的要求。

（3）正常運行時，運行功率的值是根據抽油機運行時的負載大小來決定的。

統計我廠各類電動機的運行工況，永磁同步電機與雙繞組電機能

夠較好的實現“電機的輸出扭矩（功率） 與抽油機變動負載間的合理匹配”，節能效果好，其中雙繞組電動機的控制裝置比較復雜，現場維護難度大，現場適應性較差，而永磁同步電機控制簡單可靠，啟動轉距大，完全可以解決目前采油系統存在的大馬拉小車、效率低、功率因數低等問題，在我廠抽油機節能工作中得到推廣。

3 結語

油田機采系統中電動機是主要的耗能設備，在實際工作中應根據現場情況合理采用電動機的控制方式，并逐步用永磁同步電動機更換高耗能的異步電動機，不斷提高整個機采系統的運行效率，在生產中不斷探索節能降耗的新方法和新設備，為油田節能降耗工作不斷開發更加先進的節能技術。

參考文獻

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