開關磁阻節能電機在煤層氣抽油機井上的應用

周 帥 崔金榜 熊 平 湯繼丹 楊 波

(1.華北油田公司采油工藝研究院,河北 062552;2.華北油田公司煤層氣分公司,山西 048000)

在華北油田煤層氣開發中主要采用常規抽油機進行生產,抽油機在排采設備中占90%以上。抽油機依據井深、載荷等選用3型和5型兩種;抽油桿選用 D級 φ19mm;管式泵主要有 φ38mm、φ44mm、φ56mm三種。

抽油機作為活塞式有桿泵的地面舉升設備,只要能夠滿足其運動及機械特性的電動機就可以作為其拖動的動力設備,目前煤層氣井抽油機拖動裝置普遍采用電磁調速異步電動機。電磁調速異步電動機又稱滑差電機,它是一種恒轉矩交流無級變速電動機。電磁調速異步電動機是由普通鼠籠式異步電動機、電磁滑差離合器和電氣控制裝置三部分組成。異步電機作為原動機使用,當它旋轉時帶動離合器的電樞一起旋轉,電氣控制裝置是提供滑差離合器勵磁線圈勵磁電流的裝置。

抽油機工作時是由電機驅動減速器帶動四連桿機構實現驢頭上下擺動,驢頭帶動抽油桿使活塞泵做上下往復運動完成抽汲過程。抽油桿在上行和下行時負載的變化大,導致抽油機減速器的凈扭矩波動幅度大,反映在電機上則電流變化大。由于抽油機具有自身的機械平衡裝置和周期脈動的負載特性,所以要求電機具有高啟動扭矩,才能保證抽油機在靜止狀態下啟動起來。因此在實際生產時必須設計使用比穩定運轉功率大得多的電機和大容量變壓器。這雖然解決了啟動問題,但電機正常運行是在輕載狀態,降低了電網的功率因數和電機的效率,負載率極低,功率損耗大,能源浪費嚴重。

隨著煤層氣開發的進一步深入,開發井越來越多,耗電量也日益增加。在用電高峰期時為了保證高產井生產的需要,不得不采取限電措施,關閉一批低產井,從而影響到煤層氣的產量。為了達到節能降耗、提高效益的目的,將開關磁阻節能電機應用到煤層氣抽油機井上。

1 開關磁阻電機組成

開關磁阻電機由控制器和電動機兩大部分組成。電動機由定子和轉子兩部分組成。定子是一塊圓筒形導磁金屬,圓筒內壁上有棱,棱上纏有繞組,在圓筒軸心對稱位置上的每一對繞組都是連通的,通電后會產生一個經過圓筒軸心的定向磁場;轉子由磁阻極小的金屬制成 (硅鋼片),無繞組及永磁體。

開關磁阻電機配有控制器,控制器由嵌入式微處理器、可編程邏輯器件、驅動電路、電力電子器件及軟件組成。提供5位數碼管數據顯示,可查看電動機的運行數據及各種參數的設置情況：具有鍵盤輸入功能,通過對鍵盤的操作,可實現電動機的起停控制及各種參數的設計;具有開關量和模擬量接口,可輸入傳感器及開關信號,可輸入模擬量及繼電器信號,可實現簡單的PLC控制功能;具有通訊接口,用戶可通過該接口實現遠方監控,同時也可通過該通訊口下載程序,進行系統的維護。

表1 安裝前后拖動裝置參數對比表

2 工作原理

控制器根據位置檢測器檢測到的定子、轉子間相對位置信息,結合給定的運行命令,導通相應的定子繞組,繞組中有直流電流流過,產生定向磁場。由于轉子是磁阻很小的金屬,很容易被磁場吸引,定子上的磁場吸引轉子上離其最近的棱極,使轉子轉動,最終轉子棱極與定子上的通電繞組相吻合。(由于磁場總是趨于“磁阻最小”,由此而產生的磁阻性電磁轉矩使轉子轉向“極對極”位置。)當轉子轉到平衡位置時,電磁轉矩消失。此時控制器根據新的位置信息,在定轉子即將達到平衡位置時,向功率變換器發出命令,關斷當前的繞組,而導通下一相繞組,則轉子又會向下一個平衡位置轉動。這樣,控制器根據相應的位置信息按一定的控制邏輯連續地導通和關斷相應的繞組,就可產生連續的同轉向的電磁轉矩,使轉子在一定的轉速下連續運行。根據一定的控制策略控制各相繞組的通、斷時刻以及繞組電流的大小,還可使電機在設定狀態下運行。

開關磁阻電機不存在三相異步電動機的不足,首先其輸出轉矩不受轉速的影響。當負載增大,轉速趨于降低時,控制器根據速度檢測器檢測到的速度變化,自動增大定子繞組電流,輸出轉矩增大,使轉速度提高,直到轉速重新達到設定速度 (當負載減小時,控制原理相同)。即開關磁阻電機控制靈活,易于實現各種特殊要求的“轉矩-速度”特性;其次,關磁阻電機不存在三相異步電動機的無功損耗,其功率密度大,在任何運行狀態下均可實現較高的運行效率。

3 現場應用

3.1 安裝前后拖動裝置參數

在HX13和HX19兩口井上安裝5.5kW開關磁阻電機,兩口井使用的都是華北石油榮盛機械有限公司制造的CY JY3-1.5-9HB型抽油機,安裝前后抽油機拖動裝置參數如表1所示。

3.2 節能效果測試

分別對安裝電磁調速異步電動機和開關磁阻電機時的運行數據進行測量,對比兩種拖動裝置的耗電情況。兩口井節能效果測試數據表2和表3所示。

表2 HX13井節能效果測試數據表

表3 HX19井節能效果測試數據表

3.3 應用效果

(1)開關磁阻電機不存在三相異步電動機的無功損耗和“大馬拉小車”現象,相比電磁調速異步電動機節能效果良好,兩口井節電率都在50%以上。5.5KW電磁調速異步電動機日耗電按60kW·h計算,電費按0.7元/kW·h計算,根據測試結果計算平均每口抽油機井年節約電費8942.5元。

(2)開關磁阻電機調速范圍寬,沖次調節范圍在0.6～9次/分。

(3)開關磁阻電動機調速系統具有軟起動特性,啟動轉矩高,啟動電流小。

4 結論

開關磁阻節能電機相比原有的電磁調速異步電動機節能效果明顯,在煤層氣抽油機井上有著比較好的應用前景,通過對現場應用情況進行分析,可以得到以下結論：

(1)開關磁阻電機功率因數高,調速范圍寬,節能效果好。

(2)適用于頻繁啟停及正反轉運行,高起動轉矩,低起動電流。

(3)可控參數多,調速性能好,低速運行穩定。

(4)全區間運行效率高,損耗小。

(5)開關磁阻電機在運行過程中噪聲和振動比較大,應對電機進行進一步的改進和完善,提高電機運行的平穩性。

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