李東波+李嘉煒+鞏建衛(wèi)+馮勝利

摘 要：電動(dòng)機(jī)是油田機(jī)采系統(tǒng)最主要也是最終端的用電設(shè)備，是提高整個(gè)電力系統(tǒng)的效率的最大潛力點(diǎn)。當(dāng)前油田電能消耗浪費(fèi)嚴(yán)重的一個(gè)重要原因是電動(dòng)機(jī)配置不合理，普遍存在著“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象。本文通過(guò)分析電動(dòng)機(jī)的節(jié)能運(yùn)行方式，探討游梁式抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的節(jié)能方法和新型節(jié)能電機(jī)的選用，為抽油機(jī)電機(jī)的節(jié)能找到途徑。

關(guān)鍵詞：抽油機(jī)電機(jī)；節(jié)能運(yùn)行；節(jié)能電機(jī)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.051

0 引言

游梁式抽油機(jī)是目前油田主要的機(jī)采設(shè)備，由于抽油機(jī)具有自身的機(jī)械平衡裝置和周期脈動(dòng)的負(fù)載特性，所以要求電機(jī)具有高啟動(dòng)扭矩，才能保證抽油機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下啟動(dòng)起來(lái)，這樣就要求配置的電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要大，當(dāng)抽油機(jī)啟動(dòng)以后正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載下降，電機(jī)在輕載下工作，功率因數(shù)和效率急劇下降，造成“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示抽油機(jī)電機(jī)效率多在40%～60%、功率因數(shù)在0.2～0.5之間，造成損耗嚴(yán)重的不良現(xiàn)象。

1 通過(guò)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行來(lái)達(dá)到節(jié)電的目的

三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在額定負(fù)載時(shí)其效率最佳，但游梁式抽油機(jī)電機(jī)負(fù)載率很低，而且處于不斷變化狀態(tài)，電機(jī)的運(yùn)行效率和功率因數(shù)一般都很低，對(duì)一般的三相異步電動(dòng)機(jī)提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行性能可采取的措施有降壓運(yùn)行節(jié)電法和星角變換節(jié)電法。

1.1 降壓運(yùn)行節(jié)電法

降壓運(yùn)行能提高功率因數(shù)，還能降低損耗，提高效率，在我廠的油井現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)，降低了勵(lì)磁電流損耗，有一定的節(jié)電效果。

原理：一般情況下，異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，線路電壓全部施加于定子繞組上，異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流總是基本不變的，而勵(lì)磁電流幾乎為純電感性，功率因數(shù)接近0。從空載到滿載，由于電壓基本不變，所以勵(lì)磁電流分量基本不變，鐵損也基本不變，并一直為最大值，這個(gè)電流在電機(jī)繞組內(nèi)部也造成定子銅損，消耗電能。所以，如果當(dāng)電動(dòng)機(jī)空載或輕載時(shí)，如能自動(dòng)降低電壓運(yùn)行（維持轉(zhuǎn)速基本不變），則鐵損和銅耗會(huì)減少，電網(wǎng)的功率因數(shù)亦提高。異步電動(dòng)機(jī)降壓運(yùn)行的控制原理，就是以定子電壓和電流間的相位角為控制量，去觸發(fā)串接在電動(dòng)機(jī)上的雙向可控硅或自藕變壓器的檔位，使施加于電動(dòng)機(jī)的電壓和電流的相角基本保持不變，自動(dòng)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的輸入電壓。其缺點(diǎn)是，降低電壓需要配置調(diào)壓設(shè)備，增加投資和維護(hù)工作量，現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性較差。

1.2 異步電動(dòng)機(jī)的星角變換

Δ形接線的異步電動(dòng)機(jī)，空載或輕載時(shí)，由Δ形接線換接為Y形接線可以達(dá)到節(jié)電的目的。電動(dòng)機(jī)的相電壓只有原有的1/，這時(shí)的鐵損只是原來(lái)鐵損的（1/3） ，輸出功率相應(yīng)下降為原來(lái)的1/3，如果電動(dòng)機(jī)Δ形接線時(shí)的負(fù)載率β為33%，則在電源電壓及負(fù)荷未變的情況下，改為Y形接線時(shí)，負(fù)載率變?yōu)?00%，功率因數(shù)和定子電流將明顯得到改善。

Y形接線帶負(fù)載后，有功功率的節(jié)約隨負(fù)載的增加而減少，當(dāng)負(fù)載增至某一臨界值時(shí)，電動(dòng)機(jī)Δ形接線方式和Y形接線方式的損耗相等，效率相同，此時(shí)應(yīng)立即將定子繞組改為Δ形接法。一般情況下當(dāng)負(fù)載率低于40%時(shí)，由Δ形接線改為Y形接線可以節(jié)電。

經(jīng)過(guò)多井次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，異步電動(dòng)機(jī)的星角切換節(jié)電法具有設(shè)備投資小、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用性強(qiáng)、節(jié)能效果顯著、易于維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，適合抽油機(jī)電機(jī)“大馬拉小車(chē)”的運(yùn)行工況，現(xiàn)場(chǎng)改造易于實(shí)現(xiàn)，在我廠抽油機(jī)電機(jī)節(jié)能領(lǐng)域得到應(yīng)用。

2 選擇節(jié)能型電機(jī)達(dá)到節(jié)能降耗的目的

抽油機(jī)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)的輸出功率隨著載荷的變化而變化，如能在負(fù)載工況變化時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出功率與負(fù)載變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的合理匹配，將使電力拖動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。

在節(jié)能電機(jī)的選型工作中，我廠曾投入運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)主要有以下幾種：

2.1 高轉(zhuǎn)差電機(jī)

高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)依靠降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到增加扭矩從而降低裝機(jī)功率的目的。高轉(zhuǎn)差電機(jī)與普通Y系列電機(jī)相比，具有以下特點(diǎn)：

（1）超高轉(zhuǎn)差率電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，可以降低抽油機(jī)電機(jī)的容量，在一定程度上避免大馬拉小車(chē)，取得良好的匹配，電機(jī)固定損耗（鐵損、機(jī)械耗）及可變損耗均大大降低；

（2）生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中高轉(zhuǎn)差電機(jī)比常規(guī)Y系列電機(jī)平均效率高；

（3）由于轉(zhuǎn)差率高的緣故，在運(yùn)行過(guò)程中易出現(xiàn)丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2.2 永磁同步電機(jī)

永磁同步電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)相比，電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)鑲?cè)胗来盆F，使轉(zhuǎn)子自身具有高強(qiáng)度磁場(chǎng)，可以用來(lái)取代電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的電勵(lì)磁，即不需要無(wú)功勵(lì)磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)，減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沒(méi)有轉(zhuǎn)子電阻損耗，其效率比同規(guī)格電動(dòng)機(jī)提高2-8%。而且永磁同步電動(dòng)機(jī)在25%-120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)電效果更為顯著，而且啟動(dòng)轉(zhuǎn)距較異步電動(dòng)機(jī)大，額定功率可以比異步電動(dòng)機(jī)降低一個(gè)等級(jí)。該型電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是：

（1）效率高、高效區(qū)范圍寬。

（2）功率因數(shù)高，無(wú)功節(jié)電效果相當(dāng)顯著。

（3）起動(dòng)力矩大、過(guò)載能力強(qiáng)，在匹配合理的條件下、節(jié)電效果顯著。

（4）制造成本較常規(guī)Y系列電機(jī)要高出至少40%左右。

2.3 雙繞組電機(jī)

雙繞組電機(jī)在設(shè)計(jì)上是在單槽內(nèi)下入雙線，即形成了兩套繞組。稱之為啟動(dòng)繞組和工作繞組，該電機(jī)具有兩種功率即啟動(dòng)功率和運(yùn)行功率。在控制系統(tǒng)中巧妙的應(yīng)用了Y一△轉(zhuǎn)換，使實(shí)際的運(yùn)行功率可以依據(jù)負(fù)載的需求實(shí)現(xiàn)三級(jí)功率的變換。啟動(dòng)時(shí)將啟動(dòng)繞組接成△形，滿足抽油機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的要求；電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，兩套繞組串聯(lián)接成△形，能滿足負(fù)載率為50%時(shí)抽油機(jī)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的要求；當(dāng)負(fù)載率為30%以下時(shí)，啟動(dòng)繞組接成Y形。實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行負(fù)載與電機(jī)輸出負(fù)載間的三級(jí)匹配。其特點(diǎn)是：

（1）借助于專用的控制系統(tǒng)，能在三個(gè)功率下依據(jù)負(fù)載需求自動(dòng)切換運(yùn)行。

（2）電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，能滿足抽油機(jī)啟動(dòng)時(shí)需高扭矩的要求。

（3）正常運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行功率的值是根據(jù)抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載大小來(lái)決定的。

統(tǒng)計(jì)我廠各類電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，永磁同步電機(jī)與雙繞組電機(jī)能

夠較好的實(shí)現(xiàn)“電機(jī)的輸出扭矩（功率） 與抽油機(jī)變動(dòng)負(fù)載間的合理匹配”，節(jié)能效果好，其中雙繞組電動(dòng)機(jī)的控制裝置比較復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)難度大，現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性較差，而永磁同步電機(jī)控制簡(jiǎn)單可靠，啟動(dòng)轉(zhuǎn)距大，完全可以解決目前采油系統(tǒng)存在的大馬拉小車(chē)、效率低、功率因數(shù)低等問(wèn)題，在我廠抽油機(jī)節(jié)能工作中得到推廣。

3 結(jié)語(yǔ)

油田機(jī)采系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)是主要的耗能設(shè)備，在實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況合理采用電動(dòng)機(jī)的控制方式，并逐步用永磁同步電動(dòng)機(jī)更換高耗能的異步電動(dòng)機(jī)，不斷提高整個(gè)機(jī)采系統(tǒng)的運(yùn)行效率，在生產(chǎn)中不斷探索節(jié)能降耗的新方法和新設(shè)備，為油田節(jié)能降耗工作不斷開(kāi)發(fā)更加先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]呂宗樞.電機(jī)學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2007.

[2]伍培云，歐漢生，陸建隆.技術(shù)節(jié)電與管理節(jié)電[M].南京：南京師范大學(xué)出版社，2005.