抽油機(jī)用變壓器降容技術(shù)研究

王伯瑜

（中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司能源管理與環(huán)境保護(hù)部，北京 100728）

抽油機(jī)是油田采油的耗能大戶(hù)，由于抽油機(jī)多為帶負(fù)載啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩最大，配電變壓器輸出功率最大，穩(wěn)定后負(fù)載轉(zhuǎn)矩逐漸變小，配電變壓器輸出功率也減少，因此為滿足抽油機(jī)啟動(dòng)的要求，配電變壓器留有較大的容量。抽油機(jī)正常工作時(shí)電機(jī)的負(fù)載率僅為25%左右，存在嚴(yán)重的“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象。變壓器長(zhǎng)期處于負(fù)載率偏低的工作狀態(tài)，造成了變壓器容量的浪費(fèi)及有功和無(wú)功功率的損耗，因此系統(tǒng)損耗高、效率低、功率因素低。由于變壓器利用率低，存在較大的富余容量，油田采油廠需要多交容量費(fèi)，造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，采取相應(yīng)的措施降低變壓器容量，使其工作在經(jīng)濟(jì)負(fù)荷區(qū)，是降損節(jié)能的一個(gè)有效的手段。

文章開(kāi)展變壓器降容技術(shù)研究，通過(guò)理論建模仿真及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，形成指導(dǎo)變壓器降容的技術(shù)方案，對(duì)于節(jié)能降耗、降低網(wǎng)損、提高配電網(wǎng)的功率因數(shù)、降低變壓器容量，具有十分重要的意義。

1 變壓器的工作原理及過(guò)載運(yùn)行特性

變壓器在不損壞繞組絕緣和不降低使用壽命的情況下，可以在短時(shí)間內(nèi)過(guò)載運(yùn)行[1]。按國(guó)家相關(guān)規(guī)定，油浸式變壓器過(guò)載能力及時(shí)間如表1所示。

表1 油浸式變壓器過(guò)載能力及時(shí)間

一般情況下，油井啟動(dòng)時(shí)間都很短，只有幾秒，因此在保證電機(jī)順利啟動(dòng)的前提下，應(yīng)充分利用變壓器的過(guò)載能力，而沒(méi)有必要增加容量。

2 抽油機(jī)用電動(dòng)機(jī)與電力變壓器容量的合理匹配

變壓器負(fù)載率是特指負(fù)載最大時(shí)對(duì)應(yīng)的負(fù)載率，而不是指隨負(fù)載變化而變化的變壓器實(shí)際負(fù)載率，而經(jīng)濟(jì)負(fù)載率是指負(fù)載最大時(shí)、能使變壓器有功損耗率最低、即效率最高所對(duì)應(yīng)的變壓器負(fù)載率。一般變壓器滿載銅損與鐵損之比等于3、負(fù)載率57.7%時(shí)其效率最高，因此負(fù)載率維持在50%～65%之間最為經(jīng)濟(jì)。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率則是負(fù)載大小的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，即

式中，Sj為變壓器的經(jīng)濟(jì)負(fù)載值；PM為電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率；ST為變壓器的額定功率。一般情況下，變壓器與電動(dòng)機(jī)的匹配情況如圖1（a）所示。

抽油機(jī)負(fù)荷呈周期性變化，且其變化幅度較大，平均負(fù)荷較低，平均功率因數(shù)較低。就目前狀況而言，在給抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)匹配電力變壓器時(shí)，因無(wú)具體的切合實(shí)際的計(jì)算系數(shù)，只能以電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)來(lái)確定容量，造成變壓器容量偏大，不能在合理區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，如圖1（b）所示。因此一般正常運(yùn)行的實(shí)際功率為銘牌功率的30%～60%。雖然抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的額定容量固定，而所匹配的電力變壓器的容量可以降低，如圖1（c）所示。

圖1 變壓器容量與電動(dòng)機(jī)容量的對(duì)比

3 三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性仿真

當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)直接投入電網(wǎng)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流一般為額定電流的4～7倍，而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為0.9～1.3，雖然啟動(dòng)電流很大，而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不大。過(guò)大的啟動(dòng)電流會(huì)導(dǎo)致電源電壓在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)下降，同時(shí)也會(huì)在線路和電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生損耗而引起發(fā)熱。

一次異步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的要求與負(fù)載的要求相矛盾。電網(wǎng)要求異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流盡可能小，但太小的啟動(dòng)電流所產(chǎn)生的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩又不足以啟動(dòng)負(fù)載；而負(fù)載要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩盡可能大，以縮短啟動(dòng)時(shí)間，但大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩伴隨著大的啟動(dòng)電流又可能不為電網(wǎng)所接受。因此不同的啟動(dòng)方法，對(duì)變壓器的降容影響巨大。

現(xiàn)階段，油田抽油機(jī)主要啟動(dòng)方式包括直接啟動(dòng)、降壓?jiǎn)?dòng)以及變頻器啟動(dòng)三種，文章對(duì)不同啟動(dòng)方式下電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行仿真，分析其對(duì)變壓器容量的影響。

3.1 三相異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)

直接啟動(dòng)適用于小容量電機(jī)帶輕載的情況，啟動(dòng)時(shí)，將定子繞組直接接到額定電壓電網(wǎng)上[3]。對(duì)于額定電壓為380 V的電機(jī)而言，當(dāng)PN≤7.5kW時(shí)，可以直接啟動(dòng)。以某臺(tái)三相四極籠型異步電動(dòng)機(jī)為例：額定功率PN10 kW，額定電壓U1n380 V（△連接），定子每相電阻r11.33 Ω，每項(xiàng)漏抗x12.45 Ω，轉(zhuǎn)子每相電阻折算值Ω，每相漏抗折算值，勵(lì)磁電阻rm7 Ω，勵(lì)磁漏抗xm90 Ω，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J 0.074 7 kg·m2，電動(dòng)機(jī)帶載啟動(dòng)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為30 N·m。Simulink 仿真定子電流、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化曲線。用Simulink進(jìn)行仿真，模型中采用了三個(gè)獨(dú)立的單相交流電壓模塊組成三相交流電源；用三相交流電壓和電流測(cè)量模塊測(cè)量三相交流電路的電壓和電流；用電動(dòng)機(jī)測(cè)量模塊接示波器顯示直接啟動(dòng)過(guò)程的定子電流、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化曲線；用三相斷路器控制三相電源的投入時(shí)間；異步電機(jī)采用位于[Power System]庫(kù)中的異步電動(dòng)機(jī)模塊。仿真結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2可看出，直接啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)過(guò)程在0.18 s左右結(jié)束，定子電流波形和轉(zhuǎn)子電流波形呈現(xiàn)較大的振蕩，啟動(dòng)后電流降至正常工作電流。

3.2 三相異步電動(dòng)機(jī)降壓?jiǎn)?dòng)

降壓?jiǎn)?dòng)既要保證有足夠的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，又要減小啟動(dòng)電流，還要避免啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。一般將啟動(dòng)電流限制在電動(dòng)機(jī)額定電流的2 ～2.5 倍范圍內(nèi)。啟動(dòng)時(shí)由于降低了電壓，轉(zhuǎn)矩也大大降低，因此降壓?jiǎn)?dòng)往往在電動(dòng)機(jī)輕載狀態(tài)下進(jìn)行。以三相異步電動(dòng)機(jī)定子串電阻啟動(dòng)為例，分析降壓?jiǎn)?dòng)的特點(diǎn)。

圖2 異步電機(jī)直接啟動(dòng)仿真結(jié)果

基于上述仿真模型，定子側(cè)增加了與斷路器并聯(lián)的外串三相對(duì)稱(chēng)啟動(dòng)電阻，啟動(dòng)時(shí)串入啟動(dòng)電阻，設(shè)其值為0.3 Ω，待異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完畢后切除外串的啟動(dòng)電阻，即將斷路器接通。可設(shè)斷路器在0.8 s時(shí)刻投入，設(shè)電動(dòng)機(jī)帶載啟動(dòng)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為30 N·m。

仿真結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可以看出：0.8 s以前電機(jī)定子串入電阻，由于電阻的分壓，施加到電機(jī)的電壓未達(dá)到全壓，定子電流與轉(zhuǎn)子電流呈現(xiàn)較大波動(dòng)，轉(zhuǎn)速持續(xù)上升，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小；0.8 s之后，斷路器閉合，電機(jī)投入全壓運(yùn)行，各參數(shù)波形呈現(xiàn)波動(dòng)，大約1.3 s之后電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，轉(zhuǎn)矩達(dá)到30 N·m。與直接啟動(dòng)相比，定子串電阻啟動(dòng)降低了啟動(dòng)電流，減小了對(duì)電機(jī)的沖擊，但啟動(dòng)時(shí)間有所延長(zhǎng)。

圖3 異步電機(jī)定子降壓?jiǎn)?dòng)仿真結(jié)果

3.3 三相異步電動(dòng)機(jī)變頻器啟動(dòng)

通過(guò)變頻器啟動(dòng)，可以在保證啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的情況下降低啟動(dòng)電流，減少電機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊[5]。油田主流的變頻器為整流－逆變形式，因此在仿真時(shí)分別搭建整流單元、逆變單元的仿真模型，同時(shí)輔以濾波、反饋及驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)了整體方針模型的搭建。其參數(shù)設(shè)置如下：三相交流電源電壓為380 V，頻率50 Hz，相位為0，其他采用默認(rèn)值。考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際輸入線電壓在340～420 V之間變化，因此在參數(shù)設(shè)置時(shí)選擇幅值變化；串聯(lián)RLC支路，電感參數(shù)L 設(shè)置為48.5e-3H，電容參數(shù)C 設(shè)置為3.3e-3F。

仿真時(shí)選擇ode23tb 算法，將相對(duì)誤差設(shè)置為1e-3，停止時(shí)間設(shè)置為0.1 s，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 變頻啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和定子電流波形

由圖4 可以看出，電機(jī)在額定電壓下工頻直接啟動(dòng)會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)電流很大，約為額定電流的4 ～7倍，與此同時(shí)，電機(jī)端電壓降低，若壓降過(guò)大將直接導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。而采用變頻啟動(dòng)的方式，轉(zhuǎn)速波形上升較為平緩，可以有效避免啟動(dòng)沖擊電流，從而使電機(jī)端壓降有效降低，因此可以保證電機(jī)的成功啟動(dòng)，即變頻啟動(dòng)情況下，有利于變壓器容量的降低。

4 變壓器容量小于電機(jī)功率時(shí)啟動(dòng)能力仿真

目前，油田抽油機(jī)用變壓器容量普遍高于電機(jī)功率，因此為了分析變壓器降容后電機(jī)能否順利啟動(dòng)，將電機(jī)與不同變壓器容量進(jìn)行組合，分析當(dāng)變壓器降容后電機(jī)能否順利啟動(dòng)，現(xiàn)以37 kW電機(jī)分別配置30 kVA、50 kVA、63 kVA、80 kVA變壓器時(shí)，分別對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T(mén)N、1.2TN、1.4TN、1.6TN和1.8TN時(shí)進(jìn)行仿真，校驗(yàn)電機(jī)的啟動(dòng)能力。

以負(fù)載轉(zhuǎn)矩T 為1.6TN為例，電機(jī)端電壓、轉(zhuǎn)速波形如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6 可以看出，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大到1.6倍額定轉(zhuǎn)矩、變壓器容量30 kVA時(shí)，電機(jī)出現(xiàn)啟動(dòng)困難的現(xiàn)象，啟動(dòng)時(shí)間明顯延長(zhǎng)；以相同的分析方法，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大到1.8 倍額定轉(zhuǎn)矩、變壓器容量30 kVA 時(shí)，電機(jī)會(huì)發(fā)生啟動(dòng)失敗的情況；而在其他負(fù)載轉(zhuǎn)矩倍數(shù)下，即使變壓器容量低于電機(jī)功率，電機(jī)也能順利啟動(dòng)。

5 變壓器降容指導(dǎo)原則

根據(jù)仿真分析結(jié)果，將不同容量變壓器及電機(jī)功率匹配情況匯總，正常運(yùn)行時(shí)變壓器容量的合理匹配，見(jiàn)表2。

圖5 不同變壓器容量時(shí)電機(jī)端電壓波形

圖6 不同變壓器容量時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形

表2 正常運(yùn)行狀態(tài)下電機(jī)與變壓器容量的匹配

由異步及永磁同步電機(jī)仿真結(jié)果可見(jiàn)，電機(jī)在額定電壓下工頻直接啟動(dòng)會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)電流很大，約為額定電流的4 ～7 倍，與此同時(shí)，電機(jī)端電壓降低，若壓降過(guò)大將直接導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。而采用變頻啟動(dòng)的方式，可以有效避免啟動(dòng)沖擊電流，從而使電機(jī)端電壓壓降有效降低，因此可以保證電機(jī)的成功啟動(dòng)，即變頻啟動(dòng)情況下，變壓器降容至30 kVA可滿足所有功率電機(jī)的啟動(dòng)。變頻啟動(dòng)電機(jī)及變壓器容量匹配見(jiàn)表3。在表2～3中：

1）√表示可以降容，×不能降容，電機(jī)無(wú)法啟動(dòng)，甚至使電機(jī)損壞。

表3 變頻啟動(dòng)電機(jī)及變壓器容量匹配（1～1.8）TN

2）折算容量＝電機(jī)運(yùn)行功率/功率因數(shù)。

由表2～3可知：

1）進(jìn)行變壓器容量匹配時(shí)，首先考慮電機(jī)實(shí)際運(yùn)行功率，若折算容量低于變壓器容量，則可降容至該變壓器容量，否則應(yīng)提高變壓器容量等級(jí)，繼續(xù)比較；在滿足正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件的基礎(chǔ)上，對(duì)電機(jī)啟動(dòng)能力進(jìn)行校驗(yàn)。

2）變壓器一拖一運(yùn)行時(shí)，若負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過(guò)額定轉(zhuǎn)矩的1.6 倍，則啟動(dòng)能力與電機(jī)性能有關(guān)，應(yīng)根據(jù)電機(jī)參數(shù)具體分析。

3）采用變頻啟動(dòng)的方式，可有效避免啟動(dòng)沖擊電流，啟動(dòng)性能遠(yuǎn)優(yōu)于直接啟動(dòng)，即變頻啟動(dòng)情況下，變壓器降容至30 kVA也可滿足所有功率電機(jī)的啟動(dòng)。

6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)仿真分析結(jié)論及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)HJH4-C2、河4-X4、河4-X72、河4-X52 四口油井進(jìn)行了變壓器容量?jī)?yōu)化，降容前后油井啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩及母線端電壓變化情況如表4所示。

表4 降容前后油井啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩及母線端電壓對(duì)比

由表4 可以看出，電機(jī)功率不變的情況下，變壓器容量降低后，在啟動(dòng)時(shí)電機(jī)端電壓相對(duì)值會(huì)減少，但是減少比例很小，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，可以保證油井的正常啟動(dòng)。

7 結(jié)論

從變壓器的經(jīng)濟(jì)負(fù)載率和短期過(guò)載能力出發(fā)，研究載荷不變、電機(jī)容量不變，變壓器容量改變時(shí)對(duì)電機(jī)正常運(yùn)行以及啟動(dòng)能力的影響，最終形成變壓器降容的指導(dǎo)原則。在目前的條件下減少了設(shè)備的投資，避免設(shè)備容量的浪費(fèi)，提高油田供電網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)，降低網(wǎng)損，達(dá)到節(jié)能降耗，降低原油生產(chǎn)成本的目的，具有非常理想的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。

研究得出主要結(jié)論如下：

1）變壓器應(yīng)充分考慮短時(shí)過(guò)載能力，而不宜用經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)選擇油井變壓器。

2）進(jìn)行變壓器容量匹配時(shí)首先考慮電機(jī)實(shí)際運(yùn)行功率，若折算容量低于變壓器容量，則可降容至該變壓器容量，否則應(yīng)提高變壓器容量等級(jí)，繼續(xù)比較；在滿足正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件的基礎(chǔ)上，對(duì)電機(jī)啟動(dòng)能力進(jìn)行校驗(yàn)。

3）啟動(dòng)方式影響電機(jī)及變壓器容量選擇，使用變頻器軟啟動(dòng)對(duì)變壓器降容有利，但是具體要根據(jù)二者的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比才能確定。

4）單臺(tái)油井變壓器的降損能力有限，但是降容效果比較明顯，如果能夠?qū)崿F(xiàn)“一拖多”，則經(jīng)濟(jì)效益會(huì)更加突出。