油田抽油機井節(jié)能電動機適應性研究及應用

李丹丹 岳宇 劉聰 張杰 張曉菡 王莉

（1.勝利油田技術檢測中心；2.勝利油田檢測評價研究有限公司）

機采系統(tǒng)耗電約占油田主要生產(chǎn)耗能系統(tǒng)耗電量的57%，是油田節(jié)能改造的重點，而電動機是該系統(tǒng)最重要的耗能節(jié)點，目前油田用節(jié)能電動機類型多，且節(jié)能原理各不相同，相同類型的節(jié)能電動機在不同抽油機井運行工況下的節(jié)電效果往往差異較大[1-3]。由于沒有把實驗室和現(xiàn)場應用結(jié)合起來研究，無法確定何種工況選用何種電動機，目前新井投產(chǎn)安裝電動機或電動機更換是以電動機的啟動轉(zhuǎn)矩為主要依據(jù)，能滿足油井的啟動即可，但對于運行過程中是否節(jié)能缺乏考量。針對以上問題，進行油田抽油機用節(jié)能電動機適應性研究，并進行現(xiàn)場試驗，為油田抽油機井匹配適宜節(jié)能電動機提供技術支撐[4-5]。

1 節(jié)能電動機特性研究

目前油田抽油機井用電動機種類較多，有普通Y（Y2、Y3）系列異步電動機、YE3 高效電動機、多功率電動機、永磁電動機、高轉(zhuǎn)差率電動機、磁阻電動機、調(diào)速電動機、齒輪減速電動機、抽油機用直線電動機等等，結(jié)合各類型電動機的電器特性及優(yōu)缺點，以及針對油井生產(chǎn)的特殊工況及現(xiàn)場應用效果，初步選用永磁同步電動機、YE3 高效電動機、雙功率電動機、高轉(zhuǎn)差率電動機四類節(jié)能電動機進行適應性研究，對以上四類電動機采用自主研發(fā)的抽油機交變載荷實驗裝置對其空載、負載、堵轉(zhuǎn)進行了實驗室測試，電動機空載實驗見圖1，四類節(jié)能電動機空載損耗見圖2[6-9]。

圖1 實驗室電動機空載實驗

圖2 四類節(jié)能電動機空載損耗

1.1 電動機空載實驗

空載實驗是對電動機性能進行定性分析的重要方式，通過實驗，四類節(jié)能電動機運轉(zhuǎn)較靈活、沒有較強振動和異常噪聲，永磁電動機空載損耗較其他電動機高，通過對比空載損耗的分布情況可以發(fā)現(xiàn)，永磁電動機損耗平均為0.35 kW，但是機械損耗高達1.06 kW，機械損耗的影響主要來自于所采用的軸承、潤滑等因素，可以通過改進制造工藝來降低其空載損耗，其它三類節(jié)能電動機空載損耗相對較低且水平相當。

1.2 電動機負載實驗

電動機效率直接影響整個抽油機井系統(tǒng)效率，通過調(diào)整電動機功率改變電動機負載率，測試不同電動機負載率下的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等運行參數(shù)，有功功率、無功功率、功率因數(shù)等電參數(shù)及電動機效率，電動機負載實驗見圖3，電動機效率測試結(jié)果見圖4，從實驗的結(jié)果可以看出：電動機測試效率，隨著電動機負載率的增加是升高的；在各個負載永磁電動機均有最高的電動機效率及功率因數(shù)，在25%的低負載情況下依然能夠保持較高的效率84.5%及功率因數(shù)0.89；其它三類電動機在相同負載情況下電動機效率差異不明顯。

圖3 實驗室電動機負載實驗

圖4 電動機效率測試結(jié)果

1.3 電動機堵轉(zhuǎn)實驗

電動機的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大小直接反應了電動機的啟動性能，在滿足正常運行功率需求前提下，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩越大就可以用越小容量的電動機替換大容量電動機，即電動機降容幅度越大，進而達到節(jié)能目的。電動機堵轉(zhuǎn)實驗見圖5，增轉(zhuǎn)倍數(shù)見圖6，測試的節(jié)能電動機中堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最高的為高轉(zhuǎn)差電動機，其次為永磁電動機，這兩類電動機的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩要遠高于YE3 高效電動機及雙功率電動機，故降容幅度最大。

圖5 電動機堵轉(zhuǎn)實驗

圖6 堵轉(zhuǎn)倍數(shù)

1.4 節(jié)能電動機特性總結(jié)

通過實驗室測試，四類節(jié)能電動機的特性總結(jié)：一是永磁同步電動機具有功率因數(shù)高、額定效率高、低負載狀態(tài)下效率高、啟動性能較好的優(yōu)勢，但存在空載損耗較高、空載反電勢不能全部達標的問題，建議將這兩項作為電動機及供應商甄選的重要條件指標；二是雙功率電動機具有大功率啟動小功率運行、額定效率較高、空載損耗較低的優(yōu)勢，但存在電動機效率及功率因數(shù)較低、低負載狀態(tài)下效率不高、接線繁瑣的問題；三是高轉(zhuǎn)差率電動機存在機械特性軟、啟動性能好、空載損耗較低的優(yōu)勢，但額定效率、功率因數(shù)不高，且電動機易發(fā)熱；四是YE3 高效電動機具有效率高、運行溫度低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，但存在轉(zhuǎn)差率較小、轉(zhuǎn)速較高的問題。

2 節(jié)能電動機選型原則

根據(jù)節(jié)能電動機的特性、實驗室測試驗證結(jié)果，結(jié)合抽油機井運行工況，制定電動機選型原則[10]，原則上以永磁電動機和YE3 高效電動機為主，在低液量、低負載率狀態(tài)下，優(yōu)先選用多功率電動機，節(jié)能電動機選型原則見表1。

表1 節(jié)能電動機選型原則

3 現(xiàn)場應用

基于節(jié)能電動機適應性研究方法，現(xiàn)場共優(yōu)化電動機選型1 095 臺，其中永磁同步電動機613 臺、高效電動機225 臺、多功率電動機183 臺、高轉(zhuǎn)差率電動機74 臺，現(xiàn)場應用節(jié)電效果較好，平均節(jié)電率11.2%，可實現(xiàn)年節(jié)電603.6×104kWh，年節(jié)約電費440.6 萬元，下面以8 口典型井為例進行節(jié)電效果情況展示，現(xiàn)場應用效果見表2。通過應用驗證，節(jié)能電動機適應性研究結(jié)論可較好的指導現(xiàn)場節(jié)能電動機選型，為油田抽油機井進一步節(jié)能降耗提供數(shù)據(jù)與技術雙支撐。

表2 現(xiàn)場應用效果

4 結(jié)論與認識

1）通過對四類抽油機井節(jié)能電動機進行空載、負載、堵轉(zhuǎn)實驗測試，明確電動機自身屬性及油井工況下的應用特性，為現(xiàn)場節(jié)能電動機選型優(yōu)化提供數(shù)據(jù)及理論支撐。

2）制定抽油機井節(jié)能電動機選型原則，原則上以永磁電動機和YE3 高效電動機為主，在低液量、低負載率狀態(tài)下，優(yōu)先選用多功率電動機。

3）基于節(jié)能電動機適應性研究指導現(xiàn)場節(jié)能電動機選型優(yōu)化，應用效果良好，共優(yōu)化電動機選型1 095 臺，實現(xiàn)年節(jié)電603.6×104kWh。