王永強(qiáng)　張乃亮?。ù髴c油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

不同周期載荷系數(shù)下混磁電動(dòng)機(jī)匹配方法

王永強(qiáng)張乃亮（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

針對(duì)油田三相異步電動(dòng)機(jī)存在能耗高、效率低的問(wèn)題，在某采油廠現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用混合磁阻電動(dòng)機(jī)。通過(guò)油井周期載荷系數(shù)計(jì)算混合磁阻電動(dòng)機(jī)的效率，給出不同裝機(jī)功率下混合磁阻電動(dòng)機(jī)負(fù)載率與效率變化關(guān)系，有效指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)的匹配。試驗(yàn)表明，與異步電動(dòng)機(jī)相比，混合磁阻電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)力矩大，降載效果好，裝機(jī)功率可下降50%，可有效降低有功消耗，平均有功節(jié)電率達(dá)到14.75%。

抽油機(jī)；混合磁阻電動(dòng)機(jī)；負(fù)載率

通過(guò)對(duì)喇嘛甸油田抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)水平的調(diào)查，依據(jù)國(guó)家高耗能落后機(jī)電設(shè)備淘汰要求，仍有348臺(tái)常規(guī)電動(dòng)機(jī)在用，以Y系列異步電動(dòng)機(jī)為主，該類電動(dòng)機(jī)的導(dǎo)磁材料為熱軋硅鋼片，能耗高，效率低，不符合2012年5月國(guó)家頒布的GB 18613—2012《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值標(biāo)準(zhǔn)》，需盡快進(jìn)行淘汰更新。

目前在油田生產(chǎn)對(duì)節(jié)能減排要求日益嚴(yán)格的情況下，各種節(jié)能電動(dòng)機(jī)作為提高電動(dòng)機(jī)效率的主要措施，具備很好的節(jié)能效果。其中，混合磁阻電動(dòng)機(jī)（混磁電動(dòng)機(jī)）依據(jù)磁阻最小原理，可以不使用稀土磁鋼或者極少使用稀磁鋼[1]，即磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合，由磁場(chǎng)扭曲產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)?；齑烹妱?dòng)機(jī)在有效提高電動(dòng)機(jī)效率、降低損耗的同時(shí)，其可靠性、適應(yīng)性彌補(bǔ)了以上電動(dòng)機(jī)的不足。與異步電動(dòng)機(jī)相比，無(wú)轉(zhuǎn)差損耗，具有較寬的有效負(fù)載區(qū)，可在寬調(diào)速范圍內(nèi)保持電動(dòng)機(jī)的較高能量效率[2]。

1　混磁電動(dòng)機(jī)合理負(fù)載率的計(jì)算

應(yīng)用混磁電動(dòng)機(jī)進(jìn)行裝機(jī)功率合理匹配，既要滿足變載荷油井的電動(dòng)機(jī)功率裕量要求，又要保證其不出現(xiàn)輕載或過(guò)載的低效率高能耗問(wèn)題。

首先引入周期載荷系數(shù)CLF，該系數(shù)是考慮因抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)特性引起的軸扭矩波動(dòng)及電動(dòng)機(jī)電流波動(dòng)的影響系數(shù)，定義為電動(dòng)機(jī)電流均方根值與平均電流之比。周期載荷系數(shù)CLF可通過(guò)下式[3]來(lái)計(jì)算：

式中：CLF——周期載荷系數(shù)；

Ie——電動(dòng)機(jī)電流的均方根值，A；

Im——電動(dòng)機(jī)的平均電流，A；

Ii——電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)電流，A。

因電動(dòng)機(jī)效率隨軸功率的波動(dòng)而變化，1個(gè)周期內(nèi)的平均效率不能用效率的平均值來(lái)計(jì)算，因此，采用平均軸功率和平均輸入功率之比計(jì)算[4]：

式中：η——電動(dòng)機(jī)效率，%；

P1m——電動(dòng)機(jī)平均輸入功率，kW；

P2m——電動(dòng)機(jī)平均軸功率，kW；

P0——電動(dòng)機(jī)空載損耗，kW；

PN——電動(dòng)機(jī)額定功率，kW；

α——上、下沖程平均懸點(diǎn)載荷之比。

式中：β——電動(dòng)機(jī)負(fù)載率，%。從上述效率公式可以看出，電動(dòng)機(jī)效率與電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率及周期載荷系數(shù)有關(guān)，影響效率的因素有3個(gè):電動(dòng)機(jī)本身的效率特性（和α）；負(fù)載率β；周期載荷系數(shù)CLF。

由此可繪制不同裝機(jī)功率的混磁電動(dòng)機(jī)效率在不同CLF時(shí)隨β的變化曲線（圖1～圖3）。

圖1　22 kW混磁電動(dòng)機(jī)負(fù)載率與效率變化曲線

圖2　30 kW混磁電動(dòng)機(jī)負(fù)載率與效率變化曲線

圖3　37 kW混磁電動(dòng)機(jī)負(fù)載率與效率變化曲線

由以上圖可知，負(fù)載率越高，CLF對(duì)電動(dòng)機(jī)效率的影響越大；電動(dòng)機(jī)具有一定的合理負(fù)載范圍，在此期間電動(dòng)機(jī)的效率可在較高水平上保持穩(wěn)定；當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載達(dá)到一定范圍后，隨負(fù)載的增大，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部損耗增加，電動(dòng)機(jī)效率出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

按電動(dòng)機(jī)效率大于90%確定混磁電動(dòng)機(jī)匹配方案,即選擇混磁電動(dòng)機(jī)時(shí)合理的裝機(jī)功率，確定負(fù)載率合理下限，杜絕電動(dòng)機(jī)功率過(guò)大；確定合理負(fù)載率上限，杜絕電動(dòng)機(jī)功率偏小燒電動(dòng)機(jī)，合理負(fù)載率上限也可以按電動(dòng)機(jī)效率開(kāi)始下降的位置點(diǎn)來(lái)確定最小裝機(jī)功率（表1、表2）。

表1　混磁電動(dòng)機(jī)合理負(fù)載率下限

表2　混磁電動(dòng)機(jī)合理負(fù)載率上限

2　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

通過(guò)確定混磁電動(dòng)機(jī)負(fù)載率合理上下限，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用混磁電動(dòng)機(jī)開(kāi)展了裝機(jī)功率降級(jí)試驗(yàn)。

2.11#井裝機(jī)功率降級(jí)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1#井現(xiàn)場(chǎng)用45 kW混磁電動(dòng)機(jī)替換55 kW異步電動(dòng)機(jī)。試驗(yàn)后，平均有功百米噸液耗電比試驗(yàn)前降低5.1%，無(wú)功百米噸液耗電降低95.3%（表3）。

表3　1#混磁電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

2.22#井裝機(jī)功率降級(jí)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2#井用22 kW替換45 kW電動(dòng)機(jī)，應(yīng)用22 kW混磁電動(dòng)機(jī)后平均有功百米噸液耗電比試驗(yàn)前降低14.75%，無(wú)功百米噸液耗電降低63.1%（表4）。

表4　2混磁電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

3　結(jié)論及認(rèn)識(shí)

混合磁阻電動(dòng)機(jī)適用于油田抽油機(jī)井高耗能異步電動(dòng)機(jī)的更新匹配，可以提高電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)，提高電動(dòng)機(jī)效率；通過(guò)抽油機(jī)井周期載荷系數(shù)，可以準(zhǔn)確計(jì)算混磁電動(dòng)機(jī)負(fù)載率與電動(dòng)機(jī)效率關(guān)系，從而有效指導(dǎo)混磁電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)匹配工作?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝機(jī)功率最大可下降50%，有功節(jié)電率達(dá)到14.75%，滿足油井產(chǎn)能變化所需的負(fù)載裕量。

[1]王洪武,陳業(yè)明,陳磊,等.同步磁阻電動(dòng)機(jī)矢量控制研究[J].微特電動(dòng)機(jī),2015,43（4）:74-76.

[2]朱孝勇,程明,趙文祥,等.混合勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)技術(shù)綜述與發(fā)展展望[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2008,23（1）:30-37.

[3]魏子良.基于負(fù)載率的異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的研究[J].控制工程,2003,10（5）:22-24.

[4]胡博仲.大慶油田機(jī)械采油配套技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社,1998:137.

（編輯李珊梅）

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.06.011

王永強(qiáng)，高級(jí)工程師，1999年畢業(yè)于華東石油大學(xué)（石油工程專業(yè)），從事油氣田采油工程技術(shù)工作，E-mail：wangyongqiang1@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠工程技術(shù)大隊(duì)，163114。

2015-12-18