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        低產(chǎn)能抽油機(jī)井降沖次節(jié)能技術(shù)研究

        2013-10-21 11:54:24
        中國(guó)設(shè)備工程 2013年12期
        關(guān)鍵詞:沖次雙速匝數(shù)

        管 菲

        (中國(guó)石化中原油田分公司采油四廠,河南 濮陽 457000)

        一、概述

        油田開發(fā)中后期,因低產(chǎn)能、低產(chǎn)液井的大量增加,抽油機(jī)沖次只需2~4沖次/min就能滿足生產(chǎn)需要,而原來是4~8沖次/min,過剩的抽油機(jī)沖次造成電能浪費(fèi)和機(jī)械磨損增加。

        抽油機(jī)的沖次與電機(jī)轉(zhuǎn)速、主動(dòng)帶輪(電機(jī)帶輪)直徑成正比,與減速箱速比、從動(dòng)帶輪(抽油機(jī)大帶輪)直徑成反比。

        為實(shí)現(xiàn)降沖次的目的,根據(jù)電機(jī)變極調(diào)速原理,通過改變接線方式,采用繞組電流換向法,研制380V與1 140V兩個(gè)系列共14種低速及雙速抽油機(jī)電機(jī),滿足了這部分井的生產(chǎn)需求,為抽油機(jī)井精細(xì)化調(diào)參提供了保障。

        二、研究?jī)?nèi)容

        1.變極調(diào)速與其他電機(jī)調(diào)速技術(shù)相比

        電機(jī)調(diào)速方式主要有5種,如表1所示,其中變極、串極、變頻調(diào)速均屬于節(jié)電效果較好的高效調(diào)速,但串級(jí)調(diào)速只適用于繞線轉(zhuǎn)子,不適用于普通Y系列的鼠籠式電機(jī),而變極調(diào)速降沖次為臺(tái)階性降沖次,變頻降沖次為無級(jí)連續(xù)性降沖次,變極調(diào)速雖然不如變頻技術(shù)調(diào)參精細(xì),但能滿足生產(chǎn)要求,且結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單便于維修和操作,經(jīng)濟(jì)性好。

        表1 電機(jī)調(diào)速方法綜合性能比較表

        2.電機(jī)變極調(diào)速與機(jī)械減速相比

        在低產(chǎn)能抽油機(jī)井生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),常用的機(jī)械降沖次技術(shù)有2種。一種在主動(dòng)帶輪與被動(dòng)帶輪間再增加一級(jí)齒輪傳動(dòng)降沖次。另一種是在主動(dòng)帶輪與被動(dòng)帶輪間增加一組不同直徑的帶輪降沖次。增加一級(jí)減速箱,傳動(dòng)效率降低5%;增加一級(jí)皮帶傳動(dòng),傳動(dòng)效率降低6%。而用電機(jī)直接降速,12極低速電機(jī)與8極電機(jī)相比,效率降低1%,16極電機(jī)與8極電機(jī)相比,效率降低2%,用電機(jī)實(shí)現(xiàn)降沖次,節(jié)能成本低,便于維修和操作。

        3.低速及雙速電機(jī)變極調(diào)速

        (1)變極調(diào)速原理。

        Y系列籠型電動(dòng)機(jī),在電源頻率f恒定條件下,由公式可知定子繞組磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)p,就可以改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n。

        式中:f——電源頻率;

        p——磁極對(duì)數(shù);

        n1——電機(jī)同步轉(zhuǎn)速,可從電機(jī)轉(zhuǎn)速取整數(shù)后獲得。

        (2)變極方法。

        交流電機(jī)定子繞組磁動(dòng)勢(shì)的極對(duì)數(shù)取決于繞組中電流的方向,將繞組按不同的排列連接,改變電流方向,能夠改變極對(duì)數(shù)p,獲得10、12、14、16極低速電機(jī),倍極比(如6/12極,8/16極)雙速電機(jī)及非倍極比(如8/12極)的雙速電機(jī)。這里僅以倍極比Y280M6/12極雙速電機(jī)為例進(jìn)行說明。

        采用反向法改造Y280M-6型電機(jī),原理如圖1所示。

        圖1 6/12變極原理示意圖

        圖中U相繞組包含6個(gè)極相組①~⑥,V相和W相的12個(gè)極相組未畫出。按圖1(a)接線,電流方向由4到1、2,產(chǎn)生的磁極是6極,按圖1(b)接線,電流方向由1到2,產(chǎn)生的磁極是12極。比較可知,極數(shù)加倍的原因是相繞組的一半電流反了向,即電流方向由相鄰繞組的2進(jìn)2出變?yōu)?進(jìn)1出。

        變極繞組采用2Y/△接法,如圖2如示。

        圖2 2Y/△繞組接線圖

        高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)為2Y接法,即原來的6極接法,其異步轉(zhuǎn)速為960r/min;低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)為△接法,即新改接的12極接法,其異步轉(zhuǎn)速為480r/min。

        △接法比2Y接法時(shí)的異步轉(zhuǎn)速降低一半。

        繞組排列如表2所示。

        由表2和圖3的槽電勢(shì)矢量圖可知,6極和12極繞組排列出現(xiàn)反向,使電角度相位差順序發(fā)生變化,6極為順序,12極為逆序,如果電源相序不變,則兩種接線下的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向相反。為防止游梁式抽油機(jī)曲柄銷在反轉(zhuǎn)中退扣,兩種極數(shù)轉(zhuǎn)向應(yīng)相同,使用12極時(shí),必須改變相序,即從6極接法變成12極接法時(shí)要將3根電源線中任意2根對(duì)調(diào)。

        雙速電機(jī)變極后,其特性也相應(yīng)變化,由P=Mn/9.55可知,雙速異步電動(dòng)機(jī)兩種極數(shù)的功率比有以下關(guān)系:

        表2 Y280M-6/12雙速電動(dòng)機(jī)繞組排列

        式中:PⅡ、PⅠ——電機(jī)兩種極數(shù)下的不同功率;

        MⅡ、MⅠ——電機(jī)兩種極數(shù)下的不同轉(zhuǎn)矩;

        nⅡ、nⅠ——電機(jī)兩種極數(shù)下的不同轉(zhuǎn)速。

        不同極數(shù)時(shí)轉(zhuǎn)速n的數(shù)量關(guān)系是固定的,因此不同極數(shù)輸出功率的數(shù)量關(guān)系取決于輸出轉(zhuǎn)矩間的數(shù)量關(guān)系,2種極數(shù)的轉(zhuǎn)矩比有以下關(guān)系:

        式中:pⅡ、pⅠ——電機(jī)的兩種極對(duì)數(shù);

        EⅡ、EⅠ——電機(jī)兩種極數(shù)下的相電勢(shì);

        wⅠ、wⅡ——電機(jī)兩種極數(shù)下的繞組匝數(shù)。

        極對(duì)數(shù)比值pⅡ/pⅠ是固定的,相電勢(shì)比值EⅡ/EⅠ與匝數(shù)比值wⅠ/wⅡ都和繞組接法有關(guān),對(duì)380V動(dòng)力電網(wǎng)來說,Y接法時(shí)E可約取220V,△接法時(shí)E約取380V,對(duì)于6極的2Y并聯(lián)接法,wⅠ取1路的匝數(shù),對(duì)于12極的△串聯(lián)接法,wⅡ取2路的匝數(shù)和。因此該電機(jī)的性能特點(diǎn)取決于繞組的接法,具體特性見表3。

        圖3 6/12槽電勢(shì)圖

        表3 6極與12極的特性對(duì)比

        為了簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)操作,設(shè)計(jì)了雙速電機(jī)的高、低速自動(dòng)控制電路,如圖4所示,接通電源QS,按SB1,電機(jī)被接成2Y高速運(yùn)轉(zhuǎn),按SB3電機(jī)停轉(zhuǎn),按SB2電機(jī)被接成△從高速轉(zhuǎn)換為低速運(yùn)轉(zhuǎn);反之則從高速轉(zhuǎn)換為低速運(yùn)轉(zhuǎn)。由于KM1的4、6出線端和KM3的1、3出線端工作時(shí)調(diào)換了U、W相,故在兩種轉(zhuǎn)速下,抽油機(jī)都是正轉(zhuǎn)。

        三、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例測(cè)試

        2012年10月,采油廠委托中原油田技術(shù)監(jiān)測(cè)中心對(duì)6口使用6/12、8/12極電機(jī)的抽油機(jī)井進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試中通過改變電機(jī)的“星”或“角”接法,改變電機(jī)轉(zhuǎn)速,因井下參數(shù)不變,且對(duì)兩種轉(zhuǎn)速的測(cè)試沒有時(shí)間間隔,所以油井負(fù)荷近似不變,測(cè)試結(jié)果見表4。

        測(cè)試表明,低速運(yùn)轉(zhuǎn)平均有功功率5.19kW,高速運(yùn)轉(zhuǎn)平均有功功率8.41kW,平均單井節(jié)電38.29%、約3.22kW。轉(zhuǎn)速降低比例為38.20%。

        圖4 6/12變極自動(dòng)控制電路圖

        表4 電機(jī)測(cè)試綜合報(bào)告

        根據(jù)P=FV可知,在井下參數(shù)不變時(shí)(負(fù)荷近似不變,即F不變),轉(zhuǎn)速V與功率P成正比關(guān)系,實(shí)際監(jiān)測(cè)的有功節(jié)電率與理論計(jì)算的轉(zhuǎn)速降低比例基本吻合。

        四、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

        1.技術(shù)指標(biāo)

        抽油機(jī)沖次范圍從4~8次/min拓寬到了1.9~8次/min。雙速電機(jī)的高低速轉(zhuǎn)換調(diào)沖次,人工可以在瞬間完成,也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換。適用于日產(chǎn)液量低于10t或日產(chǎn)油量低于2t的油井。

        2.經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

        現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用12極、16極低速及6/12、8/16極雙速電機(jī)162臺(tái)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),12、16極低速運(yùn)行狀態(tài)與6、8極運(yùn)行狀態(tài)對(duì)比,單井平均有功功率降低3.22kW,年節(jié)省電費(fèi)約合28 207元/kW·h。抽油機(jī)用電為6kV以下,中原油田分公司標(biāo)準(zhǔn)綜合電價(jià)0.763 2元/kW·h,單臺(tái)年創(chuàng)效21 528元。

        五、認(rèn)識(shí)與建議

        (1)井下參數(shù)不變,也就是井下負(fù)載不變,抽油機(jī)配套使用低速電機(jī)與多速電機(jī),耗電量隨沖次變化接近正比關(guān)系,符合P=FV基本原理。

        (2)低產(chǎn)能井和低產(chǎn)液井配套使用低速及雙速電機(jī),節(jié)能顯著。同時(shí),機(jī)械磨損減少,對(duì)抽油管線平穩(wěn)運(yùn)行有利,可延長(zhǎng)其使用壽命、節(jié)約作業(yè)費(fèi)用、減少作業(yè)占井時(shí)間。

        (3)雙速電機(jī)的高低速轉(zhuǎn)換,能在瞬間完成,有利于縮短低產(chǎn)井洗井后的排液時(shí)間。

        (4)雙速電機(jī)既可以滿足普通油井的生產(chǎn)需要,也可以滿足低產(chǎn)能井的生產(chǎn)需要,適應(yīng)沖次范圍比較寬,有利于減小管理成本。

        (5)雙速電機(jī)配套分時(shí)調(diào)參控制箱,可以在用電低谷與高峰時(shí),運(yùn)行高低不同的沖次參數(shù),有利于削峰填谷措施的實(shí)現(xiàn),節(jié)約電費(fèi)。

        (6)低速電機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行轉(zhuǎn)矩大,適用于稠油井,在負(fù)載不平衡時(shí),它運(yùn)行電流平穩(wěn),啟動(dòng)電流小對(duì)電網(wǎng)沖擊小。

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