抽油機專用高效節能電機

郭代春， 楊建云， 賀勝強， 李躍珂

(河南豫通電機股份公司，河南新鄉 453731)

0 引言

據統計，國內油田現擁有10萬多口井，在用抽油機電機保有量達10萬臺以上，裝機總容量逾350萬kW，每年耗電量達百億kwh。抽油機的運行效率特別低，在我國平均效率為25.96%，而國外平均水平為30.05%，年節能潛力可達幾十億kwh。除了抽油機外，油田還有大量的水泵、輸油泵和潛水泵等設備，總耗電量超過油田總用電量的80%。由此可見，石油行業是推廣電機節能的重點行業。

游梁式抽油機是我國石油開采中采用最普遍的機械裝置，其拖動電機的負載特點是要求有很大的起動轉矩，而在運行時，其負載轉矩并不大。為適應這樣的負載，選配電機時，一般要求起動轉矩為實際負載轉矩的3～4倍以上。此外，抽油機電機運行時的負載周期性波動，提升時電機加載，從電網吸收功率;下行時電機則為輕載，甚至可能工作于發電狀態，向電網送出電能。這樣，就造就了實際中存在兩個問題:一是“大馬拉小車”，電機負載率低(平均負載功率僅約20%，個別甚至不足10%)，功率因數低(有的不足0.2);二是電網波動較大，引起損耗增大，電網運行質量差。這些問題的存在，不僅增加了原油成本，極大地浪費了電力資源，也嚴重影響著電網運行安全。

抽油機電機的過低負載率，使得油田抽油機系統運行效率低下，造成電能嚴重浪費。為解決該問題，國內外曾提出很多技術方案，例如:高轉差電機、永磁電機、雙定子電機、變極電機，也有采用晶閘管調降壓運行、變頻電源、無功補償裝置等。但這些技術方案或性能改進不大，或成本高，或控制轉換復雜、可靠性差，并不能真正滿足我國油田的需要，實際上也很難推廣使用。因此，新鄉市電機系統節能技術研究中心(河南豫通電機股份公司研究中心)，成功研制出了YCS抽油機專用三功率高效節能電機。

以 YCS280M-8-45 kW，380 V 50 Hz為例(Y——異步電機;C——抽油機用;S——三功率;280——機座號;M——鐵心長度代號;8——極數)進行分析。

1 基本工作原理

根據游梁式抽油機野外作業的生產方式分析，將油量的液面分為上層、中層、底層或更低層幾種，對同一臺電機的功率匹配分為PN、0.75PN、0.6PN或0.5PN的三檔或四檔。一般情況下，根據實際使用要求選擇高、中、低三檔。通過三相異步電機額定功率對應的每一相總繞組的線匝數，分配出三檔繞組線匝數的抽頭比，分別形成PN為“△”、0.75PN為小“Y”大“△”，以及0.5PN為大“Y”小“△”的混合繞組接線方法(見圖1)，達到滿足三檔功率的要求且三檔功率情況下，電機的基本性能比較相近，以滿足抽油機系統使用方便、操作簡易、節約能源的要求。

圖1 接線圖

2 電機的設計原理

新鄉市電機系統節能技術研究中心(河南豫通電機股份公司研究中心)利用最新的交流電機繞組理論，采用諧波、復合繞組新技術和變功率新技術相結合的路線，采用新的“去匝”技術，提出并設計了全新的抽油機驅動用三功率電機。三功率電機，顧名思義就是一臺電機同時具有三種功率，按實際運行需要，選擇不同的功率。該新型電機的核心技術在于定子繞組的設計。定子繞組仍設計為單繞組結構，但一套繞組可實現三種功率，其中一種功率(高功率)專用于抽油機的起動，具有較高的起動轉矩，可有效解決起動所需要的“大馬”問題;另兩種功率(中功率、低功率)則專用于抽油機的正常運行。

2.1 電磁設計

諧波、復合繞組(見圖2)能很好地抑制和削弱電機的高次諧波，提高繞組的利用系數，改善了電磁性能。縮短線圈端部的長度，不僅有效解決電機裝配的問題，還使定子端部電抗減少，發熱量減小，缺點是功率因數降低，下線困難。采用DW470－50低耗冷軋硅鋼片，降低了鐵耗，同時定子繞組采用Y-Δ接法。但定轉子的槽配合、定轉子槽型尺寸均與Y系列電機的一樣。

圖2 8P－45 kW接線原理圖

2.2 結構設計

YCS280M－8電機在結構設計中，為了便于系列化和降低成本，力求做到與普通Y系列電機的基本參數、技術要求、試驗方法、檢驗規則、標志和包裝等一致，在保持一致的前提下，只改動一部分零件的參數、尺寸，卻使電機性能有很大改進。

機座、端蓋、軸承內外蓋、定轉子沖片、接線盒、風罩等均與Y系列電機通用，提高了生產組織的標準化水平和綜合經濟技術指標，轉軸采用后磨軸工藝，與抽油機油桿配套所用的皮帶輪帶有1∶10的錐度，在設計軸時應設計為錐形軸伸。

電機具有四組出線(見圖3所示引線接頭接法)，十二個接線端子。為保證接線方便和安全，對原Y280接線盒結構進行了改進設計，一是加大了空腔尺寸，保證接線螺栓與接線盒、蓋的電氣間隙和爬電距離;二是依據進線電纜的截面積，在原盒座出線孔的基礎上由一個出線孔增加為四個電纜出口;三是去掉連接片，接線板改為十二柱接線板，材料為塑料4342(JB/T7770)。

圖3 引線接頭接法

為了降低電機的噪聲及振動，考慮到電機的起動時間短，運行的負載小，軸伸端的軸承由Y系列的單列圓柱滾子軸承改為單列球軸承;為了減小風扇的風磨損耗和重量，以及空氣動力引起的噪聲，設計時采用小直徑的塑料風扇。

YCS280M－8電機采用普通臥式安裝方式，且安裝尺寸與普通Y系列電機一樣，防護等級IP54，絕緣等級F級，溫升按B級考核，電磁線、絕緣等的材料均按優質材料設計和制造。

3 試驗結果

樣機試驗結果如表1所示。

表1 樣機試驗結果

4 節能計算

每臺抽油機按照三功率檔電機與單速一種額定功率的電機按照每天24 h、每年200 d、負載持續率 90%工作，在效率 92.57%、功率因數0.826 9的條件下，計算年耗電量，并比較年節約電能情況。

(1)單種額定功率45 kW:45×24×200×90% ×92.57% ×0.826 9=148 805.68 kWh。

(2)三功率檔按照PN為8 h工作、0.75PN為8 h工作、0.5PN為8 h工作時間計入:45×8×200×90% ×92.57% ×0.826 9+33.75 ×8 ×200×90% ×93.09% ×0.789+22.5×8×200×90% ×92.81% ×0.695 9=106 223.64 kWh。

同一臺抽油機采用三功率檔電機比普通單功率電機每年可節約電量達425 82.04 kWh，解決了“大馬拉小車”的耗能現象。

5 結語

本文介紹的電機是河南豫通電機股份公司應大慶油田需求研發的單速三功率檔節能型電機，與普通電機相比，起動轉矩大，運行效率和功率因數高，接線控制方便，只需12個引線接頭，成本較低、可靠性好，空載電流顯著下降，因而具有更好的節能效果，深受用戶青睞。

［1］趙家禮，安順合.實用電工計算手冊［M］.北京:機械工業出版社，1995.

［2］湘潭電機廠.交流電機設計手冊［M］.長沙:湖南人民出版社出版，1978.

［3］陳世坤.電機設計［M］.北京:機械工業出版社出版，1982.

［4］許實章.電機繞組理論和設計［M］.北京:機械工業出版社出版，2002.