齊白玉 朱金丹(大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠)
某采油廠抽油機井應(yīng)用三相異步電動機1000余臺,通過對電動機運行情況分析,目前主要存在兩方面問題:一是電動機實際運行電壓偏高。電力線路末端存在一定壓降損失,為了不使末端用電設(shè)備電壓過低,一般線路電壓高于用電設(shè)備額定電壓。統(tǒng)計各油田253臺電動機電壓值,93.3%以上電動機實際工作電壓高于額定電壓(表1)。二是在用功率利用率低。抽油機上下往復(fù)運動導(dǎo)致交變載荷變化頻繁,盡管采用了曲柄配重的旋轉(zhuǎn)平衡,但載荷仍然呈周期波動。在確保可靠啟動和正常運行情況下,與之匹配的電動機額定功率都比運行功率大,除負載峰值時刻以外,大部分時段處于輕載運行。統(tǒng)計606臺雙速電動機,平均功率利用率為24.6%,功率利用率小于20%的有213口井,占35.1%,平均功率利用率僅14.7%(表2)。功率僅9.1kW,且每個沖程一半時段位于電動機低效區(qū)。
表1 電動機實際工作電壓與額定電壓對比
表2 雙速電動機功率利用率分級
交流電動機運行中的電能損耗主要有銅損、鐵損、機械損耗,而對于一個電動機來說機械損耗是不變的常量,只占總損耗的一小部分。銅損是熱量損失部分,與負載的大小相關(guān)。鐵損是轉(zhuǎn)子、定子鐵芯的渦流與磁滯現(xiàn)象的影響導(dǎo)致的能量損失。當(dāng)銅損和鐵損相等時,電動機效率最高。在滿足負載有效功率需求前提下,可以通過對電動機供電電源的合理控制,降低銅損、鐵損,提高電動機效率[1]。
將電動機的定子電流分解為轉(zhuǎn)矩電流分量及勵磁電流分量:轉(zhuǎn)矩電流分量與負載轉(zhuǎn)矩大小有關(guān),在額定電壓下,隨著負載轉(zhuǎn)矩的減小,轉(zhuǎn)矩電流所占比重減小。勵磁電流分量依賴于電壓和磁通密度,在額定電壓下,磁場消耗的能量保持恒定,與負載所需的轉(zhuǎn)矩?zé)o關(guān)[2]。
當(dāng)供電電壓大于電動機額定電壓(UN)時,電動機主磁通增加,導(dǎo)致勵磁電流上升,鐵損和銅損增加,無功勵磁分量占比重增大,電動機效率下降。當(dāng)供電電壓小于電動機額定電壓(UN)時,若處于額定負載運行,勵磁電流減小,鐵損減小。但轉(zhuǎn)差率增大,轉(zhuǎn)子電流增加,轉(zhuǎn)子銅損也隨之增加;若處于輕載運行,鐵損占主導(dǎo)地位,通過降低電壓,減少磁通量,從而減少鐵損,達到提高電動機效率,降低能耗的目的(圖1)。
圖1 電動機電壓電流特征示意
電動機在不同電壓下特性曲線表明(圖2),當(dāng)電動機處于額定負載,電壓為UN時,電動機效率最高;當(dāng)電動機處于3/4額定負載,電壓為0.85UN時,電動機效率略微下降;當(dāng)電動機低于1/2額定負載,電壓為0.85UN時,電動機效率高于額定電壓時效率[3]。
圖2 異步電動機效率-電壓特性曲線
針對電動機運行電壓偏高的實際情況,在龍虎泡油田選取7口井,現(xiàn)場通過調(diào)整變壓器擋位,降低供電電壓,使電動機電壓趨近于額定電壓,并對調(diào)壓后啟動、空載運行、正常運行3種狀態(tài)進行對比分析。
啟動電流減小。異步電動機啟動時轉(zhuǎn)差率s=1,轉(zhuǎn)子部分等效阻抗較??;根據(jù)異步電動機等效電路分析,異步電動機啟動電流與外加電壓U1成正比,與短路阻抗成反比,一般異步電動機啟動電流較大。
龍8-12井電動機額定工作電壓380V,額定相電壓220V,實際工作相電壓為238.6V,啟動電流101.5A;調(diào)整后實際工作相電壓降低到228.1V(仍然偏高),啟動電流降為93.8A,啟動電流明顯減小。
空載電流和空載功率減小。異步電動機輕載或空載時,定子電流中勵磁電流占主導(dǎo)。當(dāng)電動機發(fā)生空載時(可視為輕載的極限情況),轉(zhuǎn)差率s≈0,空載電流即勵磁電流。如表3所示,龍5-斜11井電動機調(diào)壓前后對比,空載電流下降1.6A,空載功率下降0.12kW,功率因數(shù)略微上升。
表3 龍5-斜11井空載調(diào)壓前后能耗對比
運行時耗電降低。調(diào)整電壓7口井,措施有效率100%,平均工作相電壓由措施前的234.8V降低至223.5V,平均單井日耗電由104.4kWh下降到98.2kWh,日節(jié)電6.2kWh,節(jié)電率5.9%,系統(tǒng)效率提高1.2個百分點。
由于抽油機減速箱扭矩呈周期波動,理論分析表明,異步電動機輸入電壓過高或過低都會導(dǎo)致電流上升。因此,通過實時檢測電動機負載率變化,實時調(diào)整電動機輸入電壓和負載電流,可實現(xiàn)節(jié)能降耗。
在敖南油田應(yīng)用抽油機節(jié)能控制箱進行動態(tài)調(diào)壓控制,當(dāng)負載減小時,適當(dāng)降低電動機輸入電壓,以保證電流處于最低值,將電動機自身損耗降至最低,進而提高電動機效率。
對比南254-斜244井應(yīng)用抽油機節(jié)能控制箱前后電壓電流曲線(圖3),該井應(yīng)用抽油機節(jié)能控制箱前工頻運行時線電壓維持在388.0V,電流介于29.9~31.1A之間;應(yīng)用抽油機節(jié)能控制箱后節(jié)能運行時電壓維持在190.0~276.0V,電流介于2.7~15.1 A之間。該井平均單井日耗電由98.2kWh下降到78.6kWh,日節(jié)電19.6kWh,節(jié)電率20.0%。
圖3 南254-斜244井節(jié)能及工頻運行時電壓電流曲線
目前,共應(yīng)用節(jié)能控制箱43臺,平均單井日節(jié)電17.4kWh,節(jié)電率26.4%,而且功率利用率越低效果越明顯。
1)針對異步電動機實際工作電壓偏高的井,通過人工調(diào)整,將電壓降低至額定電壓可提高電動機效率。
2)針對部分電動機負載率低的井,通過應(yīng)用動態(tài)調(diào)壓控制技術(shù),可以提高電動機效率,進一步降低抽油機能耗。
[1]呼朝.影響電動機效率的因素及現(xiàn)實中提高電動機效率的方法淺析[J].科技信息,2008(28):429-430.
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