25潛油電機不同負載率下的效率計算及功率匹配應用

摘要：潛油電機在不同負載下具有不同的效率，通過空載試驗和負載試驗可確定一條效率——負載率曲線。由該曲線可確定電機在不同負載下的運行效率。在選井選泵時可應用該曲線兼顧系統的安全系數和投資運行費用。

關鍵詞：潛油電泵機組 空載試驗 負載試驗 負載率曲線 運行效率

潛油電泵機組在配套時為了保證一定的安全系數往往選用稍大的潛油電機。生產單位技術人員選擇電機時一般以安全系數為重點，經營和銷售人員一般以成本考慮為第一位。傳統的經驗認為過大的功率配置即“大馬拉小車”會造成電能的浪費，本文擬從潛油電機不同負載率下的效率計算進行潛油電泵電機的科學的功率匹配。

1.潛油電機功率的選擇

但為了保證安全性，技術人員一般加大20%的安全系數甚至更高，過大的功率不僅造成電機成本的增加，而且連帶變壓器、控制柜整體成本大量的增加，變壓器、變頻器容量的選擇為≥1.732×電機功率。

2.潛油電機負載率的計算

2.1.電機效率與電機負載率

首先必須明確的是兩個概念：電機效率和電機負載率。電機效率是指電機輸入能量和輸出能量的比值。即P2/P1。對電動機（包括潛油電機）來講就是輸出的機械軸功率（在英文的資料上一般稱為Horse Power）與輸入電功率（外文資料一般稱為kilowatt）的比值。這里必須強調的是在國家標準單位制中二者的單位雖然都是千瓦，但其物理意義是截然不同的，也是在使用中必須加以嚴格區分的。尤其是在為國外電泵機組配套的資料中必須嚴格區分。電機負載率是指電機負載功率與額定負載功率的比值。顯然負載率為1時即表示電機的額定狀態，為0時即表示電機的空載狀態。不同的負載率對應于不同的電機效率。這樣形成一個函數關系η=f（K）。其中k∈[0，1]。

2.2.不同負載率下電機效率的計算。

對潛油電機而言由空載試驗和負載試驗可得出電機的P0值確定A；由帶泵負載可以得出PrN的值確定B。就可以繪制出電機的效率––負載率關系曲線η=f（K）了。

3.效率——負載率關系曲線的應用

通過對異步電機的計算發現電機的效率最高點有時并不是出現在額定負載點時，并且在電機負載率小于1的一段范圍以內電機的效率變化并不大，這就為潛油電泵系統中電機的優化選擇提供了一定的范圍。以YQY116––43kW/950V電機為例：該電機空載損耗大約5kW，額定狀態時定子銅耗為4.4kW、轉子銅耗5.51kW、雜散損耗0.22kW。通過上面的公式計算得A=0.1152、B=0.2234。因此：

將不同負載率帶入公式得到其效率––負載率曲線如下圖所示：

通過上表不難看出，該電機效率的最高點并不是在額定負載時，而是在負載率為0.7左右時之間。并且在負載率在0.5～1之間變化時其效率變化小于1.3%，在這一范圍內可以說電機的效率保持相對的穩定。

所以對于潛油電泵系統來講。效率——負載率關系曲線應用主要可應用在以下幾個方面：

3.1.選井選泵。

在一般情況下如何既保證系統的安全系數，又保證系統在高效區運行是潛油電泵系統選井選泵程序的最根本要求。在已經確定所使用的離心泵之后確定電機功率必須要考慮以下幾方面的因素：（1）分離器、保護器和其他可能消耗功率的設備所需要的功率 ；（2）保證泵在發生異常情況時所需要的過載功率；如不同含水率時的原油粘度變化而引起泵功率的增加；（3）系統安全系數。這樣對于不同的電機，通過計算負載率——效率曲線就可掌握電機的高效運行范圍。按照一般的經驗對于井況穩定的油井可選用比較小的安全系數（即選擇功率相差不大的電機）以降低系統的投資費用。對于井況相對復雜的油井也可在電機的選擇時兼顧系統經濟運行的同時選擇盡量大的安全系數。

3.2.潛油電泵井的工作狀況判斷。

在潛油電泵運行過程中由于井況的變化和發生的一些設備故障可能使電機的工作點發生變化，反映在現場一般是電機電流的變化。技術人員一般只憑經驗作出判斷。現場施工和日常管理中如何對這些變化作出定量的分析從而進一步提出定性的結論是潛油電泵井應用中目前還沒有解決的一個問題。解決這一問題的最根本途徑是通過綜合電機學和電工方面的理論計算方法，最好是建立一個比較完整的數學模型，目前還沒有文獻或者報道提出類似的問題和解決方法。但是潛油電機的效率——負載率曲線對于現場的判斷可以提供一定的幫助。

4.結論和建議

通過對潛油電機負載率的計算可以看出較大的功率配置并不會造成電能的浪費。

4.1.對于常規油井，潛油電機功率配置以120%-130%較為

合適，因為電流過載值一般設定為額定電流的120%。

4.2.對于稠油井，要進行黏度系數的校正，然后再以

120%-130%配置較為合適。

4.3.功率的選擇也不是越大越好，一是不能超過泵軸的最大制動功率否則會引起斷軸（塔河十二區的超稠油區塊有一段時間大幅度提高電機功率往往一過載即易發生斷軸現象一部分是這個原因），二是超出合理區間就會造成電能的浪費。