節(jié)能控制技術(shù)應(yīng)用與負(fù)載率關(guān)系探討

金火慶（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

近些年油田節(jié)能拖動控制技術(shù)發(fā)展較快，從調(diào)壓型控制技術(shù)到智能化伺服控制技術(shù)均得到大范圍應(yīng)用，取得較好節(jié)能效果。現(xiàn)場測試表明，當(dāng)抽油機(jī)電動機(jī)載荷狀況不同時(shí)，節(jié)能控制技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用的節(jié)能效果差別較大。因此，研究節(jié)能控制技術(shù)與抽油機(jī)電動機(jī)負(fù)載率的關(guān)系，摸索各種節(jié)能控制技術(shù)適用的負(fù)載率范圍，對進(jìn)一步降低油井能耗具有重要的現(xiàn)場指導(dǎo)意義。

1 抽油機(jī)電動機(jī)負(fù)載率對節(jié)電率影響分析

游梁式抽油機(jī)電動機(jī)負(fù)載屬于一種周期性交變載荷，拖動抽油機(jī)舉升的電動機(jī)負(fù)載率不僅是電動機(jī)運(yùn)行的一項(xiàng)重要指標(biāo)，更側(cè)面反映了其拖動抽油機(jī)整體舉升效率的水平。

抽油機(jī)電動機(jī)負(fù)載率與節(jié)電率的關(guān)系，實(shí)際體現(xiàn)了抽油機(jī)電動機(jī)效率的變化情況。對于拖動電動機(jī)，負(fù)載率相同情況下，電動機(jī)效率越高，能耗越低。

電動機(jī)效率可由下式[1]求得：

式中：η——電動機(jī)效率，%；

β——電動機(jī)負(fù)載率，%；

ηc——電動機(jī)額定效率，%；

Pc——電動機(jī)額定功率，kW；

k——常數(shù)。

圖1 電動機(jī)負(fù)載率-效率理論曲線

由圖1可知，當(dāng)負(fù)載率在某范圍內(nèi)，電動機(jī)效率最高，同時(shí)，對應(yīng)在此負(fù)載率范圍內(nèi)，電動機(jī)內(nèi)部損耗是最低的，即電動機(jī)處于最節(jié)能的狀態(tài)[2]。

研究分析表明，利用電動機(jī)的發(fā)熱、最大過載轉(zhuǎn)矩、最小啟動轉(zhuǎn)矩的校驗(yàn)方法，合理負(fù)載率上限不應(yīng)高于58%[3]。同時(shí)按照電動機(jī)效率變化的趨勢，電動機(jī)效率在負(fù)載率為20%～30%的范圍內(nèi)變化較大；因此，為保證較高電動機(jī)效率，則最低負(fù)載率不應(yīng)低于30%。

2 負(fù)載率與節(jié)電率關(guān)系現(xiàn)場試驗(yàn)

針對節(jié)能控制技術(shù)與負(fù)載率應(yīng)用后節(jié)電率的關(guān)系，現(xiàn)場選取不同生產(chǎn)水平的抽油機(jī)井，同時(shí)進(jìn)行了星角轉(zhuǎn)換、伺服控制、斷續(xù)供電控制技術(shù)，以及可控硅調(diào)壓技術(shù)的對比試驗(yàn)。

2.1 伺服控制技術(shù)

伺服控制技術(shù)在低負(fù)載率條件下節(jié)能效果更好，并且隨負(fù)載率逐漸升高，節(jié)電率逐步減小；當(dāng)負(fù)載率大于30%左右時(shí)，節(jié)能效果較差（圖2）。

圖2 伺服電動機(jī)節(jié)電率與負(fù)載率關(guān)系曲線

2.2 節(jié)能調(diào)壓控制技術(shù)

通過不同電壓條件下電動機(jī)負(fù)載率與效率的室內(nèi)試驗(yàn)表明，對于星角變換、可控硅等調(diào)壓型節(jié)能控制技術(shù)，當(dāng)電動機(jī)負(fù)載率較低時(shí)，實(shí)際達(dá)到最佳節(jié)能效果的電壓不高，而隨電動機(jī)負(fù)載率不斷增加，達(dá)到最佳節(jié)能效果所需的電壓也不斷增大[4]（圖3）。

圖3 負(fù)載率一定時(shí)電動機(jī)效率隨電壓調(diào)節(jié)的關(guān)系曲線

現(xiàn)場測試表明，在輕載條件下，星角變換和可控硅調(diào)壓控制技術(shù)均有顯著節(jié)能效果，有功節(jié)電率可達(dá)到10%左右。在重載條件下，節(jié)能效果不明顯（圖4、圖5）。

圖4 可控硅調(diào)壓技術(shù)節(jié)電率與負(fù)載率關(guān)系曲線

分析其主要原因是：常規(guī)游梁式抽油機(jī)在輕載條件下，利用星角變換和可控硅調(diào)壓控制技術(shù)可以降低電動機(jī)輸入端的電壓，相當(dāng)于降低了裝機(jī)功率[5]。由于減少了電動機(jī)內(nèi)部損耗，提高了電動機(jī)的運(yùn)行效率，所以節(jié)能效果更顯著。

圖5 星角變換調(diào)壓技術(shù)節(jié)電率與負(fù)載率關(guān)系曲線

2.3 斷續(xù)供電技術(shù)

斷續(xù)供電技術(shù)是指，當(dāng)抽油機(jī)運(yùn)行上沖程時(shí)，只利用平衡塊做功時(shí)的斷電模式，并不僅僅依賴消除電動機(jī)內(nèi)部的無功損耗[6]。因此，在負(fù)載率超過20%以后，依然能保持6.4%的節(jié)電率，與可控硅調(diào)壓、星角變換控制技術(shù)相比，其更適用于較高負(fù)載井上的節(jié)能改造（圖6）。

圖6 斷續(xù)供電控制技術(shù)節(jié)電率與負(fù)載率關(guān)系曲線

3 現(xiàn)場應(yīng)用

通過以上分析，在應(yīng)用節(jié)能技術(shù)時(shí)必須考慮電動機(jī)負(fù)載率，從而保證節(jié)能技術(shù)措施應(yīng)用及改造取得最大節(jié)能效果。現(xiàn)場選取多種節(jié)能技術(shù)，按不同電動機(jī)負(fù)載率分別測試有功節(jié)電率（表1）。

表1 抽油機(jī)井節(jié)能技術(shù)適應(yīng)負(fù)載率范圍

試驗(yàn)結(jié)果表明，依據(jù)不同電動機(jī)負(fù)載率針對性選用節(jié)能技術(shù)，有功節(jié)電率可提高4.24個(gè)百分點(diǎn)。其中，在電動機(jī)負(fù)載率低于20%的條件下，伺服控制技術(shù)的節(jié)能效果明顯好于抽油機(jī)在重載條件下的效果。斷續(xù)供電技術(shù)在電動機(jī)負(fù)載率大于20%的條件下受載荷影響較小，節(jié)能效果要好于可控硅、星角變換等調(diào)壓控制技術(shù)。對于電動機(jī)負(fù)載率較大的抽油機(jī)，根據(jù)抽油機(jī)載荷的平衡狀況，可采取相應(yīng)的節(jié)能平衡改造技術(shù)，通過改善抽油機(jī)的平衡效果，可進(jìn)一步降低油井能耗。

4 結(jié)論

1）抽油機(jī)處于輕載狀態(tài)時(shí)，電能損耗較大，此時(shí)不同原理的節(jié)能控制技術(shù)均具有較好的節(jié)能效果。當(dāng)電動機(jī)負(fù)載率進(jìn)一步增加時(shí)，各種節(jié)能控制技術(shù)的節(jié)電率均有較大幅度下降。

2）從提高電動機(jī)效率出發(fā)，應(yīng)用節(jié)能技術(shù)前應(yīng)首先調(diào)整抽油機(jī)電動機(jī)負(fù)載率，確保負(fù)載率處于合理范圍。

3）應(yīng)用節(jié)能控制技術(shù)，應(yīng)考慮電動機(jī)負(fù)載率對節(jié)能效果的影響，節(jié)能調(diào)壓控制技術(shù)更適用于中、低載荷油井上，較高載荷的油井上應(yīng)用斷續(xù)供電技術(shù)的節(jié)能效果更顯著。