冉衛(wèi)東（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

葡萄花油田抽油機用節(jié)能電動機評價及適應(yīng)性探討

冉衛(wèi)東（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

通過對大慶油田第七采油廠不同節(jié)能電動機的機械特性及工作原理進(jìn)行闡述，并結(jié)合各自的設(shè)計理論及實際應(yīng)用情況，對抽油機在用節(jié)能電動機的優(yōu)缺點進(jìn)行了評價。從評價結(jié)果看，對于產(chǎn)液量較高、抽油機載荷較大的葡北等地區(qū)，建議以應(yīng)用永磁同步電動機和雙功率電動機為主；對于產(chǎn)液量及系統(tǒng)效率較低的葡南、臺肇等地區(qū)，建議以應(yīng)用低速電動機為主。通過分析結(jié)果，對不同節(jié)能電動機的適應(yīng)性進(jìn)行了探討，為油田節(jié)能工作的持續(xù)開展提供了技術(shù)支持。

抽油機 節(jié)能電動機 適用性 評價 分析

目前，油田使用的抽油機大多是常規(guī)游梁式抽油機，屬于帶負(fù)荷啟動設(shè)備，穩(wěn)定運轉(zhuǎn)所需的轉(zhuǎn)矩較小，而在啟動時所需轉(zhuǎn)矩很大，因此，在實際生產(chǎn)時必須使用比穩(wěn)定運轉(zhuǎn)功率大得多的電動機和大容量變壓器。這雖然解決了抽油機的啟動問題，但是電動機的正常運行是在輕載狀態(tài)下，這樣就降低了功率因數(shù)和電動機的運行效率，增大了電能的消耗。針對此問題，考慮在抽油機上使用節(jié)能電動機拖動裝置，例如永磁同步電動機、雙速電動機、低速電動機等，來解決抽油機的啟動問題，降低電動機的運行能耗。

1 抽油機、電動機的運行機理及特點

1.1 抽油機運行特性分析

載荷扭矩曲線是一條非對稱的正弦曲線，具有周期脈動的負(fù)載特性。抽油機工作時，電動機驅(qū)動減速器帶動四連桿機構(gòu)實現(xiàn)驢頭的上下運動，抽油桿在上行和下行時負(fù)載的變化較大，導(dǎo)致抽油機減速器的凈扭矩波動幅度大，反映在電動機上則電流變化幅度較大。

由于抽油機具有自身的機械平衡裝置和周期脈動的負(fù)載特性，所以要求電動機具有高啟動扭矩，以保證抽油機在靜止?fàn)顟B(tài)下啟動運行。這樣在選擇電動機時就要求額定功率要大（啟動扭矩大）。當(dāng)抽油機正常運行時負(fù)載下降，電動機在輕載狀態(tài)下工作（一般運行功率僅為裝機功率的三分之一），系統(tǒng)效率測試數(shù)據(jù)顯示功率因數(shù)多在0.3～0.5之間。

1.2 電動機運行機理分析

根據(jù)抽油機的負(fù)載特性，使用的節(jié)能電動機應(yīng)具有負(fù)載越輕時效率和功率因數(shù)越高，啟動力矩大，過載能力強等特性，實現(xiàn)抽油機井運行負(fù)載與電動機輸出負(fù)載間的合理匹配。

1.2.1 機械特性

電動機的機械特性分為硬特性和軟特性兩種。硬特性是指電動機的轉(zhuǎn)矩在允許范圍內(nèi)變化時，電動機的轉(zhuǎn)速變化很小，同步電動機的機械特性是一條直線，其轉(zhuǎn)速不隨轉(zhuǎn)矩的變化而變化，典型的如永磁同步電動機；軟特性是指電動機的轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的變化下降很快，機械特性的斜率較大，但其啟動轉(zhuǎn)矩卻較大，典型的如高轉(zhuǎn)差電動機。

1.2.2 工作原理

當(dāng)電動機接通三相電源時，三相交流電通入定子繞組后，便形成了一個旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線被轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有電流流過，導(dǎo)體受電磁力作用形成電磁轉(zhuǎn)矩，推動轉(zhuǎn)子以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，并從軸上輸出一定大小的機械功率。

1.2.3 節(jié)能原理

如果電動機運行在額定負(fù)荷或額定負(fù)荷附近，則電動機屬于經(jīng)濟運行。電動機運行效率取決于電動機負(fù)荷率，國家標(biāo)準(zhǔn)G B12497—1995規(guī)定，Y系列（IP44）37 k W6極電動機的負(fù)荷率應(yīng)大于0.40；22k W 6極電動機的負(fù)荷率應(yīng)大于0.46，此時電動機為經(jīng)濟運行。對于不同功率的Y系列電動機，效率下降點也不同。一般情況下，效率和功率因數(shù)隨負(fù)荷率變化的曲線如圖3所示。把效率將要快速下降點a所對應(yīng)的負(fù)荷率稱為臨界負(fù)荷率βa。當(dāng)負(fù)荷率β＞βa時，效率的變化不大，這是由電動機的可變損耗和不變損耗的對比關(guān)系所決定的。當(dāng)負(fù)荷率β＜0.70時，功率因數(shù)下降很快。功率因數(shù)低不但使電動機本身能耗有所增加，而且給電網(wǎng)造成了附加損耗，降低了電網(wǎng)容量和變壓器設(shè)備的利用率。從以上討論可以看出，只要負(fù)荷率β不低于βa，“大馬拉小車”的影響主要是降低功率因數(shù)。對于一般負(fù)荷（如風(fēng)機、水泵），節(jié)能的關(guān)鍵是提高負(fù)荷率。如果將負(fù)荷率提高到0.70～0.80，即為最佳運行狀態(tài)，沒有必要提高到1。一般工作在β=0.70以上，功率因數(shù)比較高。

1.3 常用節(jié)能電動機的應(yīng)用特點

抽油機井節(jié)能在理論上所追求的是“抽油機井的機械特性與電動機特性間的合理匹配”，真正實現(xiàn)抽油機井運行負(fù)載與電動機輸出負(fù)載間的合理匹配[1]。

1.3.1 永磁同步電動機

永磁同步電動機與異步電動機在結(jié)構(gòu)方面相似，只是在轉(zhuǎn)子鼠籠條內(nèi)嵌入稀土永磁鋼，改變了原來定子勵磁為轉(zhuǎn)子稀土永磁鋼勵磁的方式，變異步電動機為同步電動機。其特點是提高了低負(fù)荷區(qū)的電動機效率，啟動轉(zhuǎn)矩大，運行電流小，功率因數(shù)高。不足之處在于同步電動機的啟動特性較硬，在重載井或沖次高的井上應(yīng)用啟動時電動機易出現(xiàn)振動。因此，永磁同步電動機需要安裝在供電線路壓降小、電壓穩(wěn)定的井上，否則啟動困難。同時永磁同步電動機的制造成本較高，損壞后維修困難，并容易出現(xiàn)退磁的現(xiàn)象。

1.3.2 雙速電動機

雙速電動機屬于異步電動機變極調(diào)速，它是通過改變定子繞組的連接方法改變定子旋轉(zhuǎn)磁場磁極對數(shù)，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速。其特點是啟動轉(zhuǎn)矩大，且運行時有兩個擋位，可以在不更換皮帶輪的情況下調(diào)整沖速。不足之處在于該電動機的調(diào)速是有極的，不能平滑調(diào)速，而且只適用于鼠籠式電動機，調(diào)速時需手動變換擋位調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來控制沖速。

1.3.3 雙功率電動機

雙功率電動機的定子繞組采用兩個可以并聯(lián)運行的繞組，兩個繞組的功率不同，這種電動機能夠?qū)崿F(xiàn)大功率下啟動、小功率下運行，保證了電動機功率與抽油機負(fù)載的合理匹配，使電動機在效率和功率因數(shù)最佳的狀態(tài)下運行。其特點是啟動和運行功率之間可自動切換，缺點是由于轉(zhuǎn)差率高，在運行過程中易出現(xiàn)丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

1.3.4 低速電動機

低速電動機是在頻率 f不變的情況下，改變異步電動機的磁極對數(shù)P，這樣可以改變其同步轉(zhuǎn)速n（n=60f/P），從而使電動機在某一負(fù)荷下的穩(wěn)定速度發(fā)生變化，達(dá)到調(diào)整抽汲速度的目的。低速電動機是通過降低抽油機沖速達(dá)到節(jié)能的目的，其特點是啟動轉(zhuǎn)矩大，可降低電動機機座型號進(jìn)行應(yīng)用，其不足之處是電動機的轉(zhuǎn)速不可調(diào)，運行功率因數(shù)較低。

1.3.5 雙聯(lián)齒輪減速電動機

雙聯(lián)齒輪減速電動機是通過安裝在其專用電動機上的齒輪機械減速器達(dá)到降低輸出轉(zhuǎn)速和增加輸出扭矩的目的，具有良好的啟動性和軟特性。其特點是能夠用較小容量取代較大容量的普通電動機，可降低電動機裝機容量45%～55%，沖速調(diào)整范圍在0.8～4 min-1。此種電動機的不足之處在于長期運行后齒輪易磨損，導(dǎo)致噪聲較大，使用壽命降低；調(diào)大沖速比較困難。

1.4 節(jié)能電動機應(yīng)用效益分析

以上5種節(jié)能電動機的使用有效期均按8年計算（表1），永磁電動機投入費用居中，節(jié)能效果最好，投資回收期最短；雙速電動機投入費用最高，投資回收期最長。

表1 節(jié)能電動機效益評價表

2 節(jié)能電動機適應(yīng)性探討

選擇電動機時，在兼顧性價比的前提下，應(yīng)對抽油機井實際工況進(jìn)行分析，從電動機的啟動性能、過載能力、節(jié)電效果等幾個方面進(jìn)行比較，做出較為合理的選擇[2]。

2.1 永磁同步電動機

永磁同步電動機的特性較硬，除對重載井有一定的不適應(yīng)性外，適用范圍較廣，節(jié)能效果明顯，在老區(qū)改造和新開發(fā)區(qū)塊上大面積應(yīng)用，可獲得規(guī)模效益。從油井工況方面考慮，對于高含水、泵掛在1000m以內(nèi)，沖速不高于4 min-1，抽油桿彈性變形不是很大的井上應(yīng)用，節(jié)電效果能達(dá)到15%以上。對于啟動困難的井，可以采用軟啟動裝置與永磁同步電動機配合使用，節(jié)電效果明顯，但是增大了投資成本。

2.2 雙速電動機

雙速電動機適用于供排關(guān)系不穩(wěn)定、產(chǎn)量波動范圍較大的抽油機井。因該電動機具有7%的轉(zhuǎn)差率和2倍的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，有利于抽油機在啟動和發(fā)生砂卡、蠟卡時減少減速箱和抽油桿所受的沖擊載荷，因此，可選擇在易結(jié)蠟的井上使用。

2.3 雙功率電動機

雙功率電動機適用于抽油機載荷大、易結(jié)蠟且啟動困難的油井。

2.4 低速電動機

低速電動機適用于系統(tǒng)效率低、機采運行參數(shù)大、供采不合理、載荷較大的抽油機井。該電動機是通過降低抽汲頻率來達(dá)到節(jié)能的目的，電動機仍為普通電動機，電動機的轉(zhuǎn)速也不可調(diào)，所以在油井參數(shù)比較穩(wěn)定的老抽油機上進(jìn)行低速電動機改造是比較經(jīng)濟的。

2.5 雙聯(lián)齒輪電動機

雙聯(lián)齒輪電動機適用于井深、產(chǎn)量低，抽油機機型偏大和拖動電動機裝機功率大的抽油機井。從油井工況方面考慮，對于供液不足、低沖速（一般在1~4 min-1）的井，主要考慮電動機的低轉(zhuǎn)速，可選擇雙聯(lián)齒輪電動機。

3 結(jié)論與認(rèn)識

1）在應(yīng)用節(jié)能電動機時，應(yīng)根據(jù)不同區(qū)塊的能耗狀況及油井功況，綜合考慮各種節(jié)能電動機的特點及適應(yīng)性，合理匹配電動機功率，達(dá)到規(guī)?；б?。對于產(chǎn)液量較高、抽油機載荷較大的葡北等地區(qū)，建議以應(yīng)用永磁同步電動機和雙功率電動機為主；對于產(chǎn)液量及系統(tǒng)效率較低的葡南、臺肇等地區(qū)，建議以應(yīng)用低速電動機為主。

2）在節(jié)能措施實施過程中，應(yīng)考慮投資與回收期、能耗與投入成本等方面的關(guān)系，控制投入成本，保證節(jié)能技術(shù)最優(yōu)化、效益最大化。

3）在節(jié)能設(shè)備后期應(yīng)用過程中，應(yīng)加強設(shè)備的日常管理及維護，實現(xiàn)節(jié)能設(shè)備的高效、低耗運行，保證節(jié)能效果。

[1]殷雷.抽油機用節(jié)能電動機評價及改造方式的探討[J].應(yīng)用能源技術(shù),2008（9）:12-14.

[2]王釗,秦英.李權(quán),等.抽油機節(jié)能電動機的應(yīng)用分析[J].石油礦場機械,2007,36（8）:6-8.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.04.013

冉衛(wèi)東，2005年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院，從事采油工程方面的工作，E-mail：songbing@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市大同區(qū)第七采油廠電力維修大隊，163517。

2012-01-06）