抽油機電機損耗原因分析與節能增效對策探究

李國強+謝雪瑩+劉偉+萬洪波+耿鵬鵬

摘要：游梁式抽油機是油田目前主要使用的抽油機類型之一，主要由了驢頭-游梁-連桿-曲柄機構、減速箱、動力設備和輔助裝備等四大部分組成。抽油機使用的電動機工作載荷是帶沖擊的周期性交變載荷，與按恒定載荷設計制造的通用電動機的工作特征不匹配。通用電動機的機械特征是硬特征，在運行過程中其轉速隨載荷變化不大，而抽油機的交變載荷增加了電動機的電動損耗，再加上選擇的抽油機與實際需要不匹配，降低了整機的地面效率。分析抽油機的用電特征，根據每臺抽油機具體的“癥結”所在，綜合考慮制定出相應的節電措施，實現其經濟運行。

關鍵詞：三相異步電動機；抽油機；變頻調速；節能增效

目前油田進常用的三相異步電動機，在理想情況下的效率為90%左右，且大多功率因數小于0.4，所配的電動機裝機功率較大，而電動機正常運行時都是輕載運行，造成抽油機負載率低，與電動機不匹配，形成“大馬拉小車”的生產狀況，浪費電力嚴重。針對油田游梁式抽油機結構簡單，可靠性高，使用維護方便，適應現場工況，是油田的首選設備。隨著油田進入開發中后期，如何打造油井電動機的節能增效是一項重要任務。本文根據工作實踐，從現狀出發，提出了一套具有實用意義的電機節能增效措施，具有重要的參考意義及推廣價值。

1 電機帶動抽油機存在問題

1.1發電現象

現有的節電措施大都是針對電機低負荷率下效率低和功率因數低造成的電能浪費的情況，而抽油機浪費電能的另一個重要原因是抽油機拖動電機發電，有實驗證明：目前使用的各種類型的電動機都多少存在這種情況。由于抽油機負載波動很大，在抽油機的正常運轉中會出現抽油機減速箱輸入軸的運轉速度大于電機對它的驅動速度的情況，這時，抽油機就拖動電機發電，其發的電不會完全與電網同步和存在線路損耗，可以肯定電機發的電不能完全被電網利用。在整個電能—機械能—電能的轉換過程中能有很大的一部分能量被浪費掉。

1.2電動機負載低

為保證抽油機的啟動要求和在運行時有足夠的過載能力，通常所配的電動機裝機功率較大，而電動機正常運行時都是輕載運行，造成抽油機負載率低，與電動機不匹配，形成“大馬拉小車”的生產狀況，使線路、變壓器、電動機的功率損耗增大；電動機的運行效率取決于負載率，輕載時電動機的效率很低，當負載增加到一定值時，變化則很小，有實驗證明：負載率〈0.4時，效率的變化不大，負載率>0.7時，效率最高。當電動機負荷很低時，電動機仍要從電網吸取較大的無功功率，從而降低了功率因數，這就是目前電機功率因數低的主要原因。

1.3平衡率低

現場使用的抽油機平衡率低，嚴重的不平衡造成電力的浪費，造成多數電動機電流變化不均勻，使電動機內耗大大增加，影響整個抽汲系統的效率。

2 抽油機節能特點和應用

常規型游梁式抽油機工作特點是承受交變載荷，懸點運動速度和加速度的變化使載荷極不均勻，工作能耗偏高，不平衡現象普遍存在，地面系統效率偏低，用電多。異向型游梁式抽油機具有峰值扭矩低、所需電動機功率低等特點，運轉時平衡效果較好。在相同的情況下，其系統效率比常規型高2.5-4%。前置式游梁抽油機具有平衡效果好、光桿最大載荷小、節能效果好等特點。其缺點是懸點載荷低于額定懸點載荷，造成抽油機資源的浪費，工作時前沖力大，影響機架的穩定性，使它的應用受到制約。現場應用的節能電動機主要有：變級調速、電磁調速電機（滑差電機）、變頻調速、高轉差率電機、永磁同步電機、雙功率電機幾種，下面對它們的特性和現場應用情況做一簡單陳述。變頻調速可以低速輕載啟動，抽油機沖次及上下沖程的速比可實現無級調節，可以根據油井井況進行抽空控制，自動調節抽汲參數，有電流保護、過電壓保護等作用，但由于價格昂貴和維修不方便等的原因，在現場應用極少。滑差電機可實現無極調速，電機轉軸與負載之間為軟特征連接，可以平滑啟動，但低速時損耗大、效率低，由于應用調速電機的油井多為供液能力差、需實現低沖次運行的油井，此種電機在現場應用不廣泛。高轉差率電機具有較高的轉差率和軟的機械特征，較高的堵轉轉矩和較小的堵轉電流，較高的效率、功率因數，適用于轉動飛輪轉矩較大和不均勻沖擊載荷，特別是抽油機用沖擊載荷。雙功率電機是油田與石油大學合作研究生產的，采用改變繞組的接法來改變電機的極數和輸出功率，以便與機械負載的負載特征相匹配，可以簡化其變速系統，從而實現節能的目的。永磁電機是一種同步電機，具有體積小、重量輕，結構簡單，效率高，功率因數高，運行穩定的特點。特別在抽油機輕載時在一定范圍內的效率還要高于額定值的 94%，最高可達96%，又可獲得任意高的功率因數，最高為0.98左右，還可起到補償電容器的作用，啟動力矩大，過載能力強，從根本上解決了“大馬拉小車”的現象，節電效果非常明顯。

3 電機增效對策

可以根據每一臺抽油機具體的“癥結”所在，綜合考慮制定出相應的節電措施，實現抽油機的經濟運行，下面提幾點措施：（1）提高電動機的負載率。電機低負荷率下的效率低和功率因數低是抽油機浪費電能的原因之一，電動機負載率提到7-12%，則系統效率可提高2-4%，當電機負載率低于25%時，應考慮奉還一個低容量級別的電動機。（2）油井參數優化。針對供液不足井泵效低，耗電量大的現狀，采取低速電機和變頻器手段進行參數優化，達到節電的目的。（3）合理選用抽油機機型，充分發揮抽油機潛力。抽油機的懸點載荷狀況是影響抽油機能耗的主要因素，其理想載荷率為80%左右。由于油井井況多變，因此需要經常調節平衡，另外的原因是，平衡度好的抽油機，在穩定生產的情況下，抽油機拖動電動機發電少。（4）選用節能電動機，改造普通電動機。根據現場情況，選擇節能電動機，減小機內損耗，提高電動機本身的運行效率，使抽油機與電動機保持良好的功率匹配，提高效率，節約用電。改造現有普通電動機，在電動機機軸處安裝一個帶蓄能器的離合器，使電動機實現空載啟動，降低啟動電流，從而減小電動機的裝機功率，提高電機的負載率。電動機的星角接線自動變換裝置，在輕載時，Y接線運行，負載增大時，改為角接線運行。（5）安裝無功補償裝置。單井功率因數補償柜是在變壓器低壓側投加電容，利用無功就地補償裝置產生的容性電流抵消電動機的感性電流，油井安裝無功補償器后，降低了線路的損耗和變壓器的銅耗，從而提高功率因數，提高效率，達到節電目的。（6）使用節能減速器。抽油機節能減速器由一個軸承支座和兩個大小不同的皮帶輪組成，兩個皮帶輪通過軸和軸承固定在軸承支座上，軸承支座通過底座螺栓固定在抽油機底座上，大皮帶輪通過皮帶與電機相連接，小皮帶輪與抽油機皮帶輪連接，通過加大傳動比，在電機功率降低的情況下，滿足抽油機懸點負荷要求，實現0.5-4.0次達到降低沖次和節電的目的，其具有啟動平穩、運行平穩、優化油井參數、降低電耗與成本的特點。

參考文獻：

[1]抽油機節能技術研究綜述[J].武衛麗，焦培林，彭利果，劉小紅，宋祎.重慶科技學院學報（自然科學版）.2009（04）

[2]抽油機用節能電機評價及改造方式的探討[J].殷雷.應用能源技術.2016（09）

[3]抽油機電動機運行效率現場測試方法研究[J].白連平，張順增，邵保林，魏志高.石油機械.2007（04）endprint