塔河油田抽油機節(jié)能電機選型研究

汪洋 馬述儉 何小龍 劉恒峰 彭振華

摘 要為提高油井節(jié)能電機選型匹配工作的合理性及科學(xué)性，有效提高機采系統(tǒng)運行效率、降低能源消耗，對目前國內(nèi)油田抽油機應(yīng)用較為廣泛的4種節(jié)能電機進(jìn)行了對比性能測試。通過對節(jié)能電機機理及特性的研究和油井試驗結(jié)果的對比分析，研究總結(jié)出各種節(jié)能電機各自的適用范圍，并運用研究成果編制出塔河油田油井節(jié)能電機選型原則及選配方法。

關(guān)鍵詞抽油機;節(jié)能電機;性能測試;選型

機械采油系統(tǒng)是油田主要生產(chǎn)系統(tǒng)，裝機規(guī)模龐大，是用電大戶也是油田節(jié)能改造的重點，電機是機采系統(tǒng)的核心耗能節(jié)點，也是機采系統(tǒng)節(jié)能潛力關(guān)鍵點。據(jù)統(tǒng)計：油田生產(chǎn)成本的1/3為電能消耗，目前我國抽油機電動機的總裝機容量在3500MW以上，年耗電超過100億kW·h，而且電機普遍負(fù)載率小、效率低[1]。

當(dāng)前機械采油系統(tǒng)配套電機的使用存在三個主要問題：

（1）油井配套使用的電機種類繁雜，性能指標(biāo)參差不齊;

（2）淘汰電機仍在使用，能源浪費嚴(yán)重;

（3）油井工況復(fù)雜多樣，電機選配無據(jù)可依。

針對以上問題，為減少高耗能電機的電耗，提高油井節(jié)能電機選型匹配工作的合理性及科學(xué)性，有效提高機采系統(tǒng)運行效率、降低能源消耗，塔河油田對目前國內(nèi)油田比較有代表性的4種節(jié)能電機進(jìn)行了性能對比測試。通過對電機節(jié)能機理及特性的研究和油井試驗結(jié)果的對比分析，研究總結(jié)出不同節(jié)能電機的適用范圍，提出塔河油田節(jié)能電機選配方案。

1 塔河油田抽油機負(fù)載特點分析

抽油機在工作中，受砂卡、臘卡、黏滯、氣體、振動、漏失等因素影響，負(fù)載呈現(xiàn)為一種帶有沖擊性的周期交變負(fù)載，在一個周期內(nèi)波動大，起動轉(zhuǎn)矩大，一般呈不規(guī)則曲線，而平衡扭矩曲線根據(jù)其特性一般呈規(guī)則正弦曲線，因此很難做到與載荷曲線一一對應(yīng)，這就造成了曲柄軸凈扭矩曲線的不規(guī)則性和較大的波動性。由于抽油機負(fù)載波動很大，在抽油機的正常運轉(zhuǎn)中會出現(xiàn)抽油機的運轉(zhuǎn)速度大于電機對它的驅(qū)動速度的情況，這時就會出現(xiàn)負(fù)扭矩，當(dāng)減速器凈扭矩曲線進(jìn)入負(fù)值區(qū)間時，抽油機開始拖動電機進(jìn)入發(fā)電制動狀態(tài)。倒發(fā)電現(xiàn)象一是會造成能源浪費;二是會對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，對電機正常運轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響，損壞電機[2]。

鑒于抽油機負(fù)載的特殊性，為保證采油生產(chǎn)的順利進(jìn)行，抽油機電機的選配一般是以最大扭矩為參考值，將額定功率選得很大，以應(yīng)對大的啟動轉(zhuǎn)矩和運行中的負(fù)荷波動，但是抽油機實際正常工作時的平均轉(zhuǎn)矩一般不超過最大轉(zhuǎn)矩的 1/3，造成浪費。

2 國內(nèi)油田抽油機在用典型節(jié)能電機性能特點

從國內(nèi)各大油田的使用情況來看，目前在用的節(jié)能電機主要有YE3（YX3）系列高效電機、永磁同步電動機、開關(guān)磁阻電機、高（超高）轉(zhuǎn)差電機等幾類。

a）YE3（YX3）系列高效電機

高效電機是通過從設(shè)計、材料和工藝上采取措施提高運行效率，例如采用合理的定子、轉(zhuǎn)子槽數(shù)、風(fēng)扇參數(shù)和正弦繞組等措施降低損耗，效率可提高2%-8%，兼具效率高、壽命長等特點，可全面替換普通三相異步電機。

b）YEG3超高效、高轉(zhuǎn)矩電機

該電機是在YE3系列電機基礎(chǔ)上研發(fā)的新型抽油機用電機，具有高效率、高啟動轉(zhuǎn)矩和較軟的機械特性，用于轉(zhuǎn)動慣量大、有不均勻沖擊載荷的機械設(shè)備。

c）開關(guān)磁阻電機（系統(tǒng)）

開關(guān)磁阻電機（系統(tǒng)）主要由開關(guān)磁阻電機與微機智能控制器兩部分組成，是一種新型調(diào)速電機驅(qū)動系統(tǒng)。該調(diào)速系統(tǒng)具有效率高、功耗小、啟動轉(zhuǎn)矩大、啟動電流小、功率因數(shù)高、機械特性較軟等特點。不足之處是低速時轉(zhuǎn)矩脈動大，高速重載時振動和噪聲大[2]。

d）高（超高）轉(zhuǎn)差率電機

高轉(zhuǎn)差率電動機是通過改變轉(zhuǎn)子槽形和導(dǎo)條材料提高電機轉(zhuǎn)差率，增加轉(zhuǎn)子電阻，從而使之具有堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩較大，堵轉(zhuǎn)電流較小，轉(zhuǎn)差率較高和機械特性軟等特點。適合于傳動飛輪轉(zhuǎn)矩較大和不均勻沖擊負(fù)載的工作場合，目前主要應(yīng)用于油田的抽油機系統(tǒng)。

e）永磁同步電動機

永磁同步電動機轉(zhuǎn)子損耗比普通異步電機小得多，其效率和功率因數(shù)都優(yōu)于一般異步電機，在（25%～120%）額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)。缺點是釹鐵硼材料本身的居里點只在120～130℃，一旦電機燒毀就會失磁;此外該電機機械特性較硬，且外轉(zhuǎn)子級數(shù)已定，不能適用調(diào)參的需要實行變極調(diào)速。

3 抽油機工況下節(jié)能電機性能測試與分析

2019年3月27日至4月21日，在塔河油田采油一廠一區(qū)和二區(qū)選取了7口生產(chǎn)井作為試驗井，采取同井同工況對比測試的方式，對安裝在14型抽油機上的高轉(zhuǎn)差、開關(guān)磁阻、超高效、永磁電機以及抽油機原配電機能耗情況進(jìn)行了監(jiān)測評價。

3.1 測試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）SY/T5264—2006《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》

（2）SY/T6275—2007《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》。

3.2 測試方法

（1）采取同井同工況對比測試的方式，每種電機安裝運行3天后測試各項參數(shù)及耗電量。

（2）每種電機測試數(shù)據(jù)不少于3組，每組數(shù)據(jù)測試時間不少于5分鐘。

3.3 選井原則

（1）選擇7口安裝14型抽油機的油井作為測試井，沖程、沖次一致。

（2）綜合考慮油質(zhì)的稀稠、含水的高低、泵掛的深淺、泵徑的大小、液面的高低、載荷的大小、產(chǎn)液量的高低以及油壓和套壓的大小等因素。

（3）為保證測試數(shù)據(jù)的可比性，摻稀井不在選擇范圍之內(nèi)。

3.4 對比測試結(jié)果

可以看出，4種節(jié)能電機相對普通電機均有一定的節(jié)能效果，其中，高轉(zhuǎn)差電機和開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)系統(tǒng)效率提升和百米噸液耗電下降較為明顯，具有顯著的節(jié)能效果，綜合性能表現(xiàn)突出，更適合塔河油田井況和采油工況。

4 油井節(jié)能電機選型原則及選配方法

通過對節(jié)能電機機理及特性的研究和油井試驗對比分析，可以得到如下的選型原則和選配方法。

4.1 電機選型原則

（1）電機選型遵循性能可靠、適度先進(jìn)的原則，符合《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》2級能效標(biāo)準(zhǔn)要求，避免近期淘汰落后風(fēng)險。

（2）電機選型要結(jié)合相關(guān)歷史資料、使用情況等綜合考慮。在滿足機械負(fù)載要求的前提下，經(jīng)濟(jì)合理地確定電機的類型和額定功率，所選電動機與被拖動機械負(fù)載的特性相匹配。

（3）電動機的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、最小轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及其調(diào)節(jié)范圍等，應(yīng)滿足電動機所拖動的負(fù)載在各種運行方式下的要求。

（4）選擇運行效率高，功率因數(shù)高，現(xiàn)場驗證節(jié)電效果好的電機。

4.2 電機選配方法

電機選型要在滿足機械負(fù)載要求的前提下，經(jīng)濟(jì)合理地確定電動機的類型和額定功率，所選電動機與被拖動機械負(fù)載的特性相匹配。

針對塔河油田油藏多為深井、油稠等特點，配套電機應(yīng)具備啟動轉(zhuǎn)矩大、機械特性較軟、過載能力強等特點，以更好地適應(yīng)塔河油田抽油機負(fù)載特性。

抽油機電機更新原則上以高轉(zhuǎn)差電機和開關(guān)磁阻電機為主，并且要結(jié)合油井井況和在用電機情況等綜合考慮。在大泵徑、高密度原油井況下，優(yōu)先選用高轉(zhuǎn)差電機;在中小泵徑、中低密度原油井況下，優(yōu)先選用開關(guān)磁阻電機。

5 結(jié)束語

通過理論分析和現(xiàn)場對比測試，確定了塔河油田節(jié)能電機選型原則和選配方法，可用以規(guī)范和指導(dǎo)該油田抽油機用電機的選型，為今后塔河油田的節(jié)能電機替換和新抽油機節(jié)能電機配套提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]馮子明，張金東，顧慧彬，王麗麗.抽油機用電動機節(jié)電特性試驗研究[J].石油機械，2013，42（07）：55-58.

[2]洪微微.游梁式抽油機倒發(fā)電危害機理及治理方法研究[J].石油石化節(jié)能，2018，08（06）：14-16.

[3]甘慶明.開關(guān)磁阻電動機在采油設(shè)備中的應(yīng)用探討[J].石油機械，2009，37（04）：70-72.