金火慶(大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠)
近些年油田節(jié)能拖動控制技術(shù)發(fā)展較快,從調(diào)壓型控制技術(shù)到智能化伺服控制技術(shù)均得到大范圍應(yīng)用,取得較好節(jié)能效果?,F(xiàn)場測試表明,當(dāng)抽油機電動機載荷狀況不同時,節(jié)能控制技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用的節(jié)能效果差別較大。因此,研究節(jié)能控制技術(shù)與抽油機電動機負(fù)載率的關(guān)系,摸索各種節(jié)能控制技術(shù)適用的負(fù)載率范圍,對進(jìn)一步降低油井能耗具有重要的現(xiàn)場指導(dǎo)意義。
游梁式抽油機電動機負(fù)載屬于一種周期性交變載荷,拖動抽油機舉升的電動機負(fù)載率不僅是電動機運行的一項重要指標(biāo),更側(cè)面反映了其拖動抽油機整體舉升效率的水平。
抽油機電動機負(fù)載率與節(jié)電率的關(guān)系,實際體現(xiàn)了抽油機電動機效率的變化情況。對于拖動電動機,負(fù)載率相同情況下,電動機效率越高,能耗越低。
電動機效率可由下式[1]求得:
式中:η——電動機效率,%;
β——電動機負(fù)載率,%;
ηc——電動機額定效率,%;
Pc——電動機額定功率,kW;
k——常數(shù)。
圖1 電動機負(fù)載率-效率理論曲線
由圖1可知,當(dāng)負(fù)載率在某范圍內(nèi),電動機效率最高,同時,對應(yīng)在此負(fù)載率范圍內(nèi),電動機內(nèi)部損耗是最低的,即電動機處于最節(jié)能的狀態(tài)[2]。
研究分析表明,利用電動機的發(fā)熱、最大過載轉(zhuǎn)矩、最小啟動轉(zhuǎn)矩的校驗方法,合理負(fù)載率上限不應(yīng)高于58%[3]。同時按照電動機效率變化的趨勢,電動機效率在負(fù)載率為20%~30%的范圍內(nèi)變化較大;因此,為保證較高電動機效率,則最低負(fù)載率不應(yīng)低于30%。
針對節(jié)能控制技術(shù)與負(fù)載率應(yīng)用后節(jié)電率的關(guān)系,現(xiàn)場選取不同生產(chǎn)水平的抽油機井,同時進(jìn)行了星角轉(zhuǎn)換、伺服控制、斷續(xù)供電控制技術(shù),以及可控硅調(diào)壓技術(shù)的對比試驗。
伺服控制技術(shù)在低負(fù)載率條件下節(jié)能效果更好,并且隨負(fù)載率逐漸升高,節(jié)電率逐步減??;當(dāng)負(fù)載率大于30%左右時,節(jié)能效果較差(圖2)。
圖2 伺服電動機節(jié)電率與負(fù)載率關(guān)系曲線
通過不同電壓條件下電動機負(fù)載率與效率的室內(nèi)試驗表明,對于星角變換、可控硅等調(diào)壓型節(jié)能控制技術(shù),當(dāng)電動機負(fù)載率較低時,實際達(dá)到最佳節(jié)能效果的電壓不高,而隨電動機負(fù)載率不斷增加,達(dá)到最佳節(jié)能效果所需的電壓也不斷增大[4](圖3)。
圖3 負(fù)載率一定時電動機效率隨電壓調(diào)節(jié)的關(guān)系曲線
現(xiàn)場測試表明,在輕載條件下,星角變換和可控硅調(diào)壓控制技術(shù)均有顯著節(jié)能效果,有功節(jié)電率可達(dá)到10%左右。在重載條件下,節(jié)能效果不明顯(圖4、圖5)。
圖4 可控硅調(diào)壓技術(shù)節(jié)電率與負(fù)載率關(guān)系曲線
分析其主要原因是:常規(guī)游梁式抽油機在輕載條件下,利用星角變換和可控硅調(diào)壓控制技術(shù)可以降低電動機輸入端的電壓,相當(dāng)于降低了裝機功率[5]。由于減少了電動機內(nèi)部損耗,提高了電動機的運行效率,所以節(jié)能效果更顯著。
圖5 星角變換調(diào)壓技術(shù)節(jié)電率與負(fù)載率關(guān)系曲線
斷續(xù)供電技術(shù)是指,當(dāng)抽油機運行上沖程時,只利用平衡塊做功時的斷電模式,并不僅僅依賴消除電動機內(nèi)部的無功損耗[6]。因此,在負(fù)載率超過20%以后,依然能保持6.4%的節(jié)電率,與可控硅調(diào)壓、星角變換控制技術(shù)相比,其更適用于較高負(fù)載井上的節(jié)能改造(圖6)。
圖6 斷續(xù)供電控制技術(shù)節(jié)電率與負(fù)載率關(guān)系曲線
通過以上分析,在應(yīng)用節(jié)能技術(shù)時必須考慮電動機負(fù)載率,從而保證節(jié)能技術(shù)措施應(yīng)用及改造取得最大節(jié)能效果。現(xiàn)場選取多種節(jié)能技術(shù),按不同電動機負(fù)載率分別測試有功節(jié)電率(表1)。
表1 抽油機井節(jié)能技術(shù)適應(yīng)負(fù)載率范圍
試驗結(jié)果表明,依據(jù)不同電動機負(fù)載率針對性選用節(jié)能技術(shù),有功節(jié)電率可提高4.24個百分點。其中,在電動機負(fù)載率低于20%的條件下,伺服控制技術(shù)的節(jié)能效果明顯好于抽油機在重載條件下的效果。斷續(xù)供電技術(shù)在電動機負(fù)載率大于20%的條件下受載荷影響較小,節(jié)能效果要好于可控硅、星角變換等調(diào)壓控制技術(shù)。對于電動機負(fù)載率較大的抽油機,根據(jù)抽油機載荷的平衡狀況,可采取相應(yīng)的節(jié)能平衡改造技術(shù),通過改善抽油機的平衡效果,可進(jìn)一步降低油井能耗。
1)抽油機處于輕載狀態(tài)時,電能損耗較大,此時不同原理的節(jié)能控制技術(shù)均具有較好的節(jié)能效果。當(dāng)電動機負(fù)載率進(jìn)一步增加時,各種節(jié)能控制技術(shù)的節(jié)電率均有較大幅度下降。
2)從提高電動機效率出發(fā),應(yīng)用節(jié)能技術(shù)前應(yīng)首先調(diào)整抽油機電動機負(fù)載率,確保負(fù)載率處于合理范圍。
3)應(yīng)用節(jié)能控制技術(shù),應(yīng)考慮電動機負(fù)載率對節(jié)能效果的影響,節(jié)能調(diào)壓控制技術(shù)更適用于中、低載荷油井上,較高載荷的油井上應(yīng)用斷續(xù)供電技術(shù)的節(jié)能效果更顯著。