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        油田抽油機(jī)井節(jié)能電動(dòng)機(jī)適應(yīng)性研究及應(yīng)用

        2022-06-16 09:24:20李丹丹岳宇劉聰張杰張曉菡王莉
        石油石化節(jié)能 2022年5期
        關(guān)鍵詞:抽油機(jī)選型永磁

        李丹丹 岳宇 劉聰 張杰 張曉菡 王莉

        (1.勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心;2.勝利油田檢測(cè)評(píng)價(jià)研究有限公司)

        機(jī)采系統(tǒng)耗電約占油田主要生產(chǎn)耗能系統(tǒng)耗電量的57%,是油田節(jié)能改造的重點(diǎn),而電動(dòng)機(jī)是該系統(tǒng)最重要的耗能節(jié)點(diǎn),目前油田用節(jié)能電動(dòng)機(jī)類型多,且節(jié)能原理各不相同,相同類型的節(jié)能電動(dòng)機(jī)在不同抽油機(jī)井運(yùn)行工況下的節(jié)電效果往往差異較大[1-3]。由于沒(méi)有把實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)合起來(lái)研究,無(wú)法確定何種工況選用何種電動(dòng)機(jī),目前新井投產(chǎn)安裝電動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)更換是以電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為主要依據(jù),能滿足油井的啟動(dòng)即可,但對(duì)于運(yùn)行過(guò)程中是否節(jié)能缺乏考量。針對(duì)以上問(wèn)題,進(jìn)行油田抽油機(jī)用節(jié)能電動(dòng)機(jī)適應(yīng)性研究,并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),為油田抽油機(jī)井匹配適宜節(jié)能電動(dòng)機(jī)提供技術(shù)支撐[4-5]。

        1 節(jié)能電動(dòng)機(jī)特性研究

        目前油田抽油機(jī)井用電動(dòng)機(jī)種類較多,有普通Y(Y2、Y3)系列異步電動(dòng)機(jī)、YE3 高效電動(dòng)機(jī)、多功率電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)、高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)、磁阻電動(dòng)機(jī)、調(diào)速電動(dòng)機(jī)、齒輪減速電動(dòng)機(jī)、抽油機(jī)用直線電動(dòng)機(jī)等等,結(jié)合各類型電動(dòng)機(jī)的電器特性及優(yōu)缺點(diǎn),以及針對(duì)油井生產(chǎn)的特殊工況及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果,初步選用永磁同步電動(dòng)機(jī)、YE3 高效電動(dòng)機(jī)、雙功率電動(dòng)機(jī)、高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)四類節(jié)能電動(dòng)機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性研究,對(duì)以上四類電動(dòng)機(jī)采用自主研發(fā)的抽油機(jī)交變載荷實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)其空載、負(fù)載、堵轉(zhuǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,電動(dòng)機(jī)空載實(shí)驗(yàn)見(jiàn)圖1,四類節(jié)能電動(dòng)機(jī)空載損耗見(jiàn)圖2[6-9]。

        圖1 實(shí)驗(yàn)室電動(dòng)機(jī)空載實(shí)驗(yàn)

        圖2 四類節(jié)能電動(dòng)機(jī)空載損耗

        1.1 電動(dòng)機(jī)空載實(shí)驗(yàn)

        空載實(shí)驗(yàn)是對(duì)電動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行定性分析的重要方式,通過(guò)實(shí)驗(yàn),四類節(jié)能電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)較靈活、沒(méi)有較強(qiáng)振動(dòng)和異常噪聲,永磁電動(dòng)機(jī)空載損耗較其他電動(dòng)機(jī)高,通過(guò)對(duì)比空載損耗的分布情況可以發(fā)現(xiàn),永磁電動(dòng)機(jī)損耗平均為0.35 kW,但是機(jī)械損耗高達(dá)1.06 kW,機(jī)械損耗的影響主要來(lái)自于所采用的軸承、潤(rùn)滑等因素,可以通過(guò)改進(jìn)制造工藝來(lái)降低其空載損耗,其它三類節(jié)能電動(dòng)機(jī)空載損耗相對(duì)較低且水平相當(dāng)。

        1.2 電動(dòng)機(jī)負(fù)載實(shí)驗(yàn)

        電動(dòng)機(jī)效率直接影響整個(gè)抽油機(jī)井系統(tǒng)效率,通過(guò)調(diào)整電動(dòng)機(jī)功率改變電動(dòng)機(jī)負(fù)載率,測(cè)試不同電動(dòng)機(jī)負(fù)載率下的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù),有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)等電參數(shù)及電動(dòng)機(jī)效率,電動(dòng)機(jī)負(fù)載實(shí)驗(yàn)見(jiàn)圖3,電動(dòng)機(jī)效率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4,從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出:電動(dòng)機(jī)測(cè)試效率,隨著電動(dòng)機(jī)負(fù)載率的增加是升高的;在各個(gè)負(fù)載永磁電動(dòng)機(jī)均有最高的電動(dòng)機(jī)效率及功率因數(shù),在25%的低負(fù)載情況下依然能夠保持較高的效率84.5%及功率因數(shù)0.89;其它三類電動(dòng)機(jī)在相同負(fù)載情況下電動(dòng)機(jī)效率差異不明顯。

        圖3 實(shí)驗(yàn)室電動(dòng)機(jī)負(fù)載實(shí)驗(yàn)

        圖4 電動(dòng)機(jī)效率測(cè)試結(jié)果

        1.3 電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

        電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大小直接反應(yīng)了電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能,在滿足正常運(yùn)行功率需求前提下,堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩越大就可以用越小容量的電動(dòng)機(jī)替換大容量電動(dòng)機(jī),即電動(dòng)機(jī)降容幅度越大,進(jìn)而達(dá)到節(jié)能目的。電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)見(jiàn)圖5,增轉(zhuǎn)倍數(shù)見(jiàn)圖6,測(cè)試的節(jié)能電動(dòng)機(jī)中堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最高的為高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī),其次為永磁電動(dòng)機(jī),這兩類電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩要遠(yuǎn)高于YE3 高效電動(dòng)機(jī)及雙功率電動(dòng)機(jī),故降容幅度最大。

        圖5 電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

        圖6 堵轉(zhuǎn)倍數(shù)

        1.4 節(jié)能電動(dòng)機(jī)特性總結(jié)

        通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,四類節(jié)能電動(dòng)機(jī)的特性總結(jié):一是永磁同步電動(dòng)機(jī)具有功率因數(shù)高、額定效率高、低負(fù)載狀態(tài)下效率高、啟動(dòng)性能較好的優(yōu)勢(shì),但存在空載損耗較高、空載反電勢(shì)不能全部達(dá)標(biāo)的問(wèn)題,建議將這兩項(xiàng)作為電動(dòng)機(jī)及供應(yīng)商甄選的重要條件指標(biāo);二是雙功率電動(dòng)機(jī)具有大功率啟動(dòng)小功率運(yùn)行、額定效率較高、空載損耗較低的優(yōu)勢(shì),但存在電動(dòng)機(jī)效率及功率因數(shù)較低、低負(fù)載狀態(tài)下效率不高、接線繁瑣的問(wèn)題;三是高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)存在機(jī)械特性軟、啟動(dòng)性能好、空載損耗較低的優(yōu)勢(shì),但額定效率、功率因數(shù)不高,且電動(dòng)機(jī)易發(fā)熱;四是YE3 高效電動(dòng)機(jī)具有效率高、運(yùn)行溫度低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì),但存在轉(zhuǎn)差率較小、轉(zhuǎn)速較高的問(wèn)題。

        2 節(jié)能電動(dòng)機(jī)選型原則

        根據(jù)節(jié)能電動(dòng)機(jī)的特性、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果,結(jié)合抽油機(jī)井運(yùn)行工況,制定電動(dòng)機(jī)選型原則[10],原則上以永磁電動(dòng)機(jī)和YE3 高效電動(dòng)機(jī)為主,在低液量、低負(fù)載率狀態(tài)下,優(yōu)先選用多功率電動(dòng)機(jī),節(jié)能電動(dòng)機(jī)選型原則見(jiàn)表1。

        表1 節(jié)能電動(dòng)機(jī)選型原則

        3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

        基于節(jié)能電動(dòng)機(jī)適應(yīng)性研究方法,現(xiàn)場(chǎng)共優(yōu)化電動(dòng)機(jī)選型1 095 臺(tái),其中永磁同步電動(dòng)機(jī)613 臺(tái)、高效電動(dòng)機(jī)225 臺(tái)、多功率電動(dòng)機(jī)183 臺(tái)、高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)74 臺(tái),現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用節(jié)電效果較好,平均節(jié)電率11.2%,可實(shí)現(xiàn)年節(jié)電603.6×104kWh,年節(jié)約電費(fèi)440.6 萬(wàn)元,下面以8 口典型井為例進(jìn)行節(jié)電效果情況展示,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果見(jiàn)表2。通過(guò)應(yīng)用驗(yàn)證,節(jié)能電動(dòng)機(jī)適應(yīng)性研究結(jié)論可較好的指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能電動(dòng)機(jī)選型,為油田抽油機(jī)井進(jìn)一步節(jié)能降耗提供數(shù)據(jù)與技術(shù)雙支撐。

        表2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

        4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

        1)通過(guò)對(duì)四類抽油機(jī)井節(jié)能電動(dòng)機(jī)進(jìn)行空載、負(fù)載、堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,明確電動(dòng)機(jī)自身屬性及油井工況下的應(yīng)用特性,為現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能電動(dòng)機(jī)選型優(yōu)化提供數(shù)據(jù)及理論支撐。

        2)制定抽油機(jī)井節(jié)能電動(dòng)機(jī)選型原則,原則上以永磁電動(dòng)機(jī)和YE3 高效電動(dòng)機(jī)為主,在低液量、低負(fù)載率狀態(tài)下,優(yōu)先選用多功率電動(dòng)機(jī)。

        3)基于節(jié)能電動(dòng)機(jī)適應(yīng)性研究指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能電動(dòng)機(jī)選型優(yōu)化,應(yīng)用效果良好,共優(yōu)化電動(dòng)機(jī)選型1 095 臺(tái),實(shí)現(xiàn)年節(jié)電603.6×104kWh。

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