胥宏峰（大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠）

降低螺桿泵電動(dòng)機(jī)功率可行性研究

胥宏峰（大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠）

螺桿泵具有低能耗、低噪音、低投入，以及占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，適用于過(guò)渡帶、稠油、出砂、家屬區(qū)等生產(chǎn)井，尤其在節(jié)能方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。大慶油田第一采油廠共有1542口螺桿泵井，節(jié)能潛力較大，通過(guò)節(jié)能理論分析和螺桿泵功率計(jì)算，得出了適合該廠的螺桿泵泵型與電動(dòng)機(jī)匹配標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)化螺桿泵井電機(jī)配置可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

螺桿泵 電機(jī)功率 節(jié)能

在節(jié)能方面，螺桿泵與抽油機(jī)相比節(jié)電率可達(dá)40%左右，單井日節(jié)電可達(dá)90 kWh以上；螺桿泵與電泵相比節(jié)電率可達(dá)60%以上，單井日節(jié)電可達(dá)300 kWh以上。原來(lái)的螺桿泵采油技術(shù)的工藝配套技術(shù)不完善，制約了螺桿泵井的推廣應(yīng)用，通過(guò)多年來(lái)的科研攻關(guān)解決了這一難題，為螺桿泵大面積的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。截至目前，大慶油田第一采油廠共有螺桿泵井1542口，螺桿泵泵型從GLB75型至GLB1200型均有應(yīng)用。由于螺桿泵井?dāng)?shù)的增多，螺桿泵在現(xiàn)有的節(jié)能基礎(chǔ)上是否還有節(jié)能潛力，值得分析和研究。

1 理論研究

1.1 節(jié)能分析

螺桿泵耗電的唯一設(shè)備是電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的匹配是否合理直接影響螺桿泵的耗電多少。從異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)、轉(zhuǎn)矩和效率特性曲線（圖1）可以看出，隨著電動(dòng)機(jī)的軸功率P2相對(duì)于電動(dòng)機(jī)額定功率PN的增大，電動(dòng)機(jī)的效率η、功率因數(shù)cos?提高，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

目前測(cè)試的電動(dòng)機(jī)消耗功率是電動(dòng)機(jī)的輸入功率P1，是輸入到電動(dòng)機(jī)定子上的電功率，如圖2所示，其中一部分功率消耗于定子繞組銅耗pCu1和電動(dòng)機(jī)的鐵耗pFe上?？鄢@些損耗后，剩下的功率便是通過(guò)氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，經(jīng)電磁感應(yīng)作用傳遞到轉(zhuǎn)子上的電磁功率Pem，即

由于正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子頻率很低（通常只有1～3 Hz），轉(zhuǎn)子鐵耗很小，因此，鐵耗 pFe實(shí)際上主要是定子鐵耗。

電磁功率Pem減去轉(zhuǎn)子繞組銅耗 pCu2之后便是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上獲得的總機(jī)械功率Pmec，即

電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)還有機(jī)械損耗 pem和附加損耗pad，其中附加損耗pad主要是由于定、轉(zhuǎn)子上有齒槽存在，當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)使氣隙磁通發(fā)生脈振產(chǎn)生的，因此，在定子、轉(zhuǎn)子鐵心中產(chǎn)生損耗。這種損耗在電機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生制動(dòng)力矩，從而消耗了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的一部分機(jī)械功率。以總機(jī)械功率Pmec扣去機(jī)械損耗 pmec和附加損耗 pad，之后，便是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率P2，即

綜合上述分析，可得異步電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程式為

式中∑p為總損耗。

電動(dòng)機(jī)效率

1.2 螺桿泵功率計(jì)算

螺桿泵有效功率計(jì)算方法如下:

式中：

Pe——有效功率，kW；

γ——泵輸送液體的重度，N/m3。

Q——排量，m3/s；

H——揚(yáng)程或舉升高度，m；

ρ——液體密度，860 kg/m3；

g——重力加速度，m/s2。

式中：

η總——地面驅(qū)動(dòng)效率，0.66；

η軸承——軸承效率，0.94；

η齒輪——齒輪效率，0.96；

η皮帶——皮帶效率，0.96；

η機(jī)油——機(jī)油效率，0.96；

n——功率因數(shù)，0.8；

PN——電動(dòng)機(jī)功率。

式中，a為安全系數(shù)，1.2～1.4。

1.2.1 計(jì)算實(shí)例

按照原計(jì)算方法計(jì)算KGLB75-40型螺桿泵電動(dòng)機(jī)功率。已知揚(yáng)程H為1500 m、轉(zhuǎn)速為200 r/min、地面驅(qū)動(dòng)效率0.66，依據(jù)公式（7）計(jì)算得出有效功率Pe=4.79 kW。安全系數(shù)為1.4，電動(dòng)機(jī)功率PN為6.71 kW，所以取7.5 kW。

1.2.2 計(jì)算實(shí)例分析

通過(guò)上述計(jì)算可以看出，用廠商的計(jì)算方法計(jì)算功率比實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)功率偏大，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）選用揚(yáng)程比實(shí)際的舉升高度偏大，目前螺桿泵下泵深度在900 m左右，且有一定的沉沒(méi)度。

2）轉(zhuǎn)速偏高，目前螺桿泵采用的轉(zhuǎn)速一般不高于130 r/min。

3）螺桿泵的排量Q值偏高，沒(méi)有考慮泵效，廠商計(jì)算按100%計(jì)算，實(shí)際上目前現(xiàn)場(chǎng)泵效只是60%左右。

綜合上述三點(diǎn)可知，螺桿泵井目前配置的電動(dòng)機(jī)功率偏大，因此螺桿泵電動(dòng)機(jī)功率有下降的空間。

1.2.3 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際合理匹配電機(jī)

根據(jù)目前全廠的實(shí)際情況，按照上述計(jì)算方法，計(jì)算得出適合于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的電動(dòng)機(jī)與螺桿泵泵型的匹配標(biāo)準(zhǔn)。

依據(jù)上述公式計(jì)算出適合目前第一采油廠的螺桿泵泵型與電動(dòng)機(jī)匹配的標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1。

表1 螺桿泵電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算對(duì)比

表1計(jì)算方法及公式與原方法相同，但是，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，轉(zhuǎn)速采用150 r/min，螺桿泵泵效按70%計(jì)算，安全系數(shù)均采用1.2～1.4。

從表1可以看出，按照目前標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)功率可以下調(diào)的有如下泵型：

◇KGLB75-40，由7.5 kW下調(diào)至5.5 kW；

◇KGLB120-27，由7.5 kW下調(diào)至5.5 kW；

◇KGLB200-27，由11 kW下調(diào)至7.5 kW；

◇KGLB400-20，由15 kW下調(diào)至11 kW；

◇KGLB500-14，由22 kW下調(diào)至15 kW；

◇GLB800-14，由30 kW下調(diào)至18.5 kW；

◇GLB1200-14，由30 kW下調(diào)至22 kW。

表2 螺桿泵更換電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)效果對(duì)比

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)55口井進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2看出，換電動(dòng)機(jī)前后對(duì)比，平均單井裝機(jī)功率下降6.43 kW，有功功率下降2.76 kW，噸液耗電下降1.25 kWh，系統(tǒng)效率提高8.18個(gè)百分點(diǎn)，節(jié)電率達(dá)到20.59%，單井日節(jié)電可達(dá)66.24 kWh，年節(jié)電2.38×104kWh。

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.06.006

胥宏峰，1990年畢業(yè)于石油大學(xué)，高級(jí)工程師，從事采油工程節(jié)能工作，E-mail：cyxuhongfeng@sohu.com，地址：大慶市會(huì)戰(zhàn)大街1號(hào)采油一廠工程技術(shù)大隊(duì)，163111。

2011-06-22）