呂亳龍　解紅軍　劉向陽(yáng)　呂曉俐　雷　鈞

（1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司）

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抽油機(jī)用高效電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)及應(yīng)用

呂亳龍1解紅軍1劉向陽(yáng)2呂曉俐2雷鈞2

（1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司）

電動(dòng)機(jī)是油田生產(chǎn)過(guò)程中最主要的耗電設(shè)備，其運(yùn)行效率直接影響到機(jī)采系統(tǒng)能效水平，筆者對(duì)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀及能耗現(xiàn)狀進(jìn)行了研究。通過(guò)分析抽油機(jī)負(fù)載變化特點(diǎn)，提出了抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)選配所需考慮的因素；跟蹤國(guó)內(nèi)外主要抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍；并在350口抽油機(jī)井上應(yīng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)、雙速雙功率節(jié)能電動(dòng)機(jī)技術(shù)。項(xiàng)目實(shí)施后，有功節(jié)電率分別為23.85%、20.48%，區(qū)塊年節(jié)電量達(dá)187×104kWh，節(jié)電效果顯著。

抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)負(fù)載節(jié)能技術(shù)應(yīng)用效果

電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于石油石化、冶金、礦山等眾多領(lǐng)域，是機(jī)泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等重要耗能設(shè)備的終端驅(qū)動(dòng)裝置。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年中國(guó)電動(dòng)機(jī)保有量約21×108kW，年總耗電量約3.4×1012kWh，占全社會(huì)總用電量的64%；其中，工業(yè)領(lǐng)域電動(dòng)機(jī)總耗電量為2.9×1012kWh，約占工業(yè)用電的75%，而超過(guò)90%在用低壓電動(dòng)機(jī)屬于低效產(chǎn)品（能效等級(jí)不滿足GB 18613—2012規(guī)定的3級(jí)能效水平［1］，比IE2能效低3.0%，比IE3低4.5%）。

目前，中國(guó)石油在用抽油機(jī)16.6萬(wàn)臺(tái)，總裝機(jī)容量403×104kW，年耗電量92×108kWh，約占勘探板塊總耗電量的47%，機(jī)采系統(tǒng)效率僅為24.6%，而國(guó)外油田機(jī)采系統(tǒng)平均效率達(dá)30.05%；目前仍有部分納入《高耗能落后機(jī)電設(shè)備（產(chǎn)品）淘汰目錄》（第1批至第3批）的低效抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)在用。低效電動(dòng)機(jī)的使用，既不符合國(guó)家節(jié)約能源及循環(huán)經(jīng)濟(jì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策的要求，又造成巨大的能源浪費(fèi)；因此，提高抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行能效水平是油田節(jié)約能源的必然趨勢(shì)。

1　抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)負(fù)載特點(diǎn)

游梁式抽油機(jī)采油系統(tǒng)由地面部分、井下部分和抽油桿柱3部分組成，是我國(guó)使用最多的采油方式，占所有抽油機(jī)的90%左右。系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)力來(lái)自于抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩為井下負(fù)荷轉(zhuǎn)矩和平衡機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩之和，總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩與井況和單井平衡狀態(tài)有關(guān)。抽油機(jī)負(fù)荷曲線如圖1所示［2］。

圖1　常規(guī)游梁式抽油機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

由圖1可見，抽油機(jī)系統(tǒng)工作周期內(nèi)，負(fù)載不恒定且成波狀變化，有以下特點(diǎn)：

◇由載荷轉(zhuǎn)矩曲線可知，因井下供液情況變化，隨著抽油桿上下沖程運(yùn)行，載荷呈不規(guī)則周期性波動(dòng)，需施加平衡轉(zhuǎn)矩保證抽油機(jī)及電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)安全運(yùn)行；

◇平衡轉(zhuǎn)矩為抽油機(jī)平衡機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩，是規(guī)則的正弦曲線；

◇因油井載荷轉(zhuǎn)矩不規(guī)則周期性變化，其與平衡轉(zhuǎn)矩形成的凈轉(zhuǎn)矩曲線常出現(xiàn)負(fù)功率；

◇負(fù)載轉(zhuǎn)矩平均值約為最大轉(zhuǎn)矩的1/3～1/2。

抽油機(jī)的不規(guī)則周期性波動(dòng)負(fù)載，決定了需要選配較大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；但抽油機(jī)正常運(yùn)行中，由于平衡裝置的作用，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)大都處于輕載運(yùn)行狀態(tài)，負(fù)載率較低，不可避免地形成負(fù)荷不足現(xiàn)象［3］。綜合考慮抽油機(jī)井修井、砂卡結(jié)蠟等因素導(dǎo)致負(fù)荷突變，以及抽油機(jī)野外工作等因素，抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)選配應(yīng)具備以下特點(diǎn)：

◇適應(yīng)較大幅度變化的脈動(dòng)載荷；

◇具備較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)電流?。?/p>

◇調(diào)速范圍寬、低負(fù)載率運(yùn)行時(shí)具有較高的功率因數(shù)和運(yùn)行效率；

◇特殊抽油機(jī)井適應(yīng)頻繁啟停及正反轉(zhuǎn)運(yùn)行；

◇露天條件運(yùn)行，維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。

2　典型抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)

高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)是采用新型電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、新工藝及新材料，通過(guò)降低電磁能、熱能和機(jī)械能的損耗，提高輸出效率，達(dá)到特定高效率標(biāo)準(zhǔn)要求的電動(dòng)機(jī)。高效電動(dòng)機(jī)總損耗比普通電動(dòng)機(jī)低20%以上，效率平均高4%，節(jié)電率超過(guò)15%。

根據(jù)油田抽油機(jī)特殊的負(fù)載變化情況，對(duì)典型的抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了研究分析（表1）。

不同的節(jié)能技術(shù)適用井況不同，應(yīng)用時(shí)需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽油機(jī)井實(shí)際運(yùn)行工況篩選合適的電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)，使抽油機(jī)與電動(dòng)機(jī)較好匹配，提高機(jī)采系統(tǒng)效率。

3　技術(shù)應(yīng)用案例

2014年，某油田區(qū)塊1所轄250口井應(yīng)用了雙速雙功率節(jié)能電動(dòng)機(jī)技術(shù)，區(qū)塊2所轄100口抽油機(jī)井應(yīng)用了永磁同步電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)。

區(qū)塊1的抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)平均裝機(jī)功率為10.8 kW，平均單井輸入功率為3.32 kW，功率利用率為30.75%，抽油機(jī)平均泵效達(dá)53.2%，平均單井日產(chǎn)液量為4.36 t，系統(tǒng)效率達(dá)19.84%。由于區(qū)塊1抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率相對(duì)較高，產(chǎn)液量大，突出矛盾在于抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)存在嚴(yán)重的負(fù)荷不足現(xiàn)象。為了保證抽油機(jī)啟動(dòng)性能，電動(dòng)機(jī)選配裝機(jī)容量較大，而正常運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)輸入有功功率低，無(wú)功損耗較大；因而，選擇雙速雙功率節(jié)能電動(dòng)機(jī)技術(shù)，運(yùn)行時(shí)可根據(jù)負(fù)載自動(dòng)匹配功率，降低電動(dòng)機(jī)輸入功率，使電動(dòng)機(jī)處于高負(fù)載率運(yùn)行，提高系統(tǒng)效率和運(yùn)行功率因數(shù)。

表1　典型抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)分析

表2　電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用前后能效監(jiān)測(cè)結(jié)果

區(qū)塊2的抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)平均裝機(jī)功率為10.2 kW，平均單井輸入功率為2.18 kW，功率利用率為21.3%，抽油機(jī)平均泵效僅為23.7%，平均單井日產(chǎn)液量為1.14 t，系統(tǒng)效率達(dá)8.47%，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行無(wú)功損耗大。該區(qū)塊產(chǎn)液量低，井下液量充滿度較差，負(fù)載率低，電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于低負(fù)載率運(yùn)行導(dǎo)致無(wú)功損耗大，功率因數(shù)低，系統(tǒng)運(yùn)行效率低；因而，選擇稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)，可使電動(dòng)機(jī)在輕載到滿載之間均可保持高效率運(yùn)行，降低電動(dòng)機(jī)無(wú)功損耗。另外，稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)應(yīng)用于長(zhǎng)期處于低負(fù)載率運(yùn)行的抽油機(jī)井時(shí)節(jié)能效果更佳。

通過(guò)實(shí)施電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)改造，應(yīng)用前后的效果監(jiān)測(cè)如表2所示。

由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，區(qū)塊1雙速雙功率電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用后，平均系統(tǒng)效率提高了2.74%；抽油機(jī)在常態(tài)運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)自動(dòng)切換至低功率擋運(yùn)行，即電動(dòng)機(jī)運(yùn)行功率為7 kW，功率利用率達(dá)37.71%，較改造前提高了7百分點(diǎn)，有效地提高了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率。經(jīng)計(jì)算，實(shí)施電動(dòng)機(jī)提效改造后，區(qū)塊平均有功節(jié)電率達(dá)20.48%，平均無(wú)功節(jié)電率達(dá)37.63%，綜合節(jié)電率達(dá)23.73%。按年工作350 d計(jì)算，平均單井年節(jié)電量為5712 kWh，區(qū)塊1電動(dòng)機(jī)提效技術(shù)應(yīng)用后年總節(jié)電量為143.37× 104kWh，折合標(biāo)準(zhǔn)煤460.22 t。

區(qū)塊2永磁同步電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用后平均系統(tǒng)效率提高了3.52%，由于該區(qū)塊井下液量充滿度較低，供液能力較差，因此系統(tǒng)效率整體較低。經(jīng)計(jì)算，實(shí)施電動(dòng)機(jī)提效改造后，區(qū)塊平均有功節(jié)電率達(dá)23.85%，平均無(wú)功節(jié)電率達(dá)67.04%，綜合節(jié)電率達(dá)35.39%。稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)應(yīng)用時(shí)，可通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)控制器檢測(cè)負(fù)載變化而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)無(wú)極調(diào)速，使電動(dòng)機(jī)處于高功率利用率下運(yùn)行。另外，由于稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)沒有無(wú)功勵(lì)磁電流，功率因數(shù)大幅提高，有效地降低了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的無(wú)功損耗；因而，其運(yùn)行效率較高，功率因數(shù)高，綜合節(jié)電效果較好。按每年工作350 d計(jì)算，平均單井年節(jié)電量為4368 kWh，區(qū)塊2電動(dòng)機(jī)提效技術(shù)應(yīng)用后年總節(jié)電量為43.68×104kWh，折合標(biāo)準(zhǔn)煤140.21 t。

4　結(jié)束語(yǔ)

高效電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)發(fā)展日新月異，在保證電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速要求的前提下，逐步達(dá)到輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載精確匹配，有效降低電動(dòng)機(jī)有功功率和無(wú)功損耗，大幅提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率和運(yùn)行功率因數(shù)。例如，“2015年國(guó)際高效電動(dòng)機(jī)研討會(huì)”上，“繞組式永磁耦合調(diào)速節(jié)能電動(dòng)機(jī)技術(shù)”的多項(xiàng)性能指標(biāo)均超越了變頻調(diào)速器，亦可在抽油機(jī)井上試點(diǎn)應(yīng)用，檢驗(yàn)其節(jié)能提效效果。

除高效電動(dòng)機(jī)技術(shù)研發(fā)與推廣外，要提升油田抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行能效水平，還需要從嚴(yán)格落實(shí)國(guó)家低效高耗淘汰產(chǎn)業(yè)政策、開展電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)用能診斷及系統(tǒng)匹配改造、普通電動(dòng)機(jī)個(gè)性化高效再制造、相關(guān)政策激勵(lì)與標(biāo)準(zhǔn)約束等措施入手，根據(jù)抽油機(jī)井負(fù)載變化特點(diǎn)，切實(shí)開展個(gè)性化的電動(dòng)機(jī)提效工作，提高電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)能效水平，提高能源利用率，最終達(dá)到節(jié)約能源的目的。

［1］中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)：GB 18613—2012［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［2］吉效科.油田設(shè)備節(jié)能技術(shù)［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2011：76-79.

［3］郭慧彬.油田電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行決策支持系統(tǒng)研究［D］.吉林：吉林大學(xué)，2009.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.12.006

2015-08-28）

呂亳龍，工程師，2012年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）（油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)），從事油氣田與管道節(jié)能節(jié)水技術(shù)研究與管理支持工作，E-mail：lvbolong@petrochina.com.cn，地址：北京市志新西路3號(hào)中國(guó)石油規(guī)劃總院，100083。