優化抽油機井電動機合理匹配降低能耗技術研究

楊紅艷（大慶油田有限責任公司第八采油廠）

1 電動機合理匹配計算模型

電動機裝機功率的原則就是在配備電動機時，實際功率需求不超過選配電動機額定功率[1]，即

除了滿足功率要求以外，還應滿足最大扭矩的要求，即傳到電動機軸的最大扭矩不應當超過電動機允許的最大扭矩：

2 電動機合理負載率的研究計算

電動機功率合理匹配的原則是：滿足變載荷抽油機井的電動機功率裕量要求；保證不出現輕載或過載的低效率高能耗問題。保證電動機的運行效率，主要是確定合理負載的上下限[2]。

2.1 電動機負載率

電動機的平均負載程度，又稱為功率利用率，即電動機平均軸功率P2m與其額定功率PN之比：

2.2 周期載荷系數

即考慮因抽油機運動特性引起的軸扭矩波動及電動機電流波動的影響系數，定義為電動機電流均方根值與平均電流之比，常規游梁抽油機井CLF范圍在1.44～2.35之間。

2.3 電動機合理負載率界限

尋求電動機合理負載率界限必須保證電動機在較高效率水平運行，由此率先建立電動機負載率與電動機運行效率之間的關系：

令式中P0=P0/PN，即

電動機效率與電動機本身效率特性、負載率以及周期載荷系數3個因素有關（圖1）。

圖1 電動機效率在不同CLF時隨負載率的變化曲線

分析曲線變化，負載率越高，CLF對電動機效率的影響越大。當電動機負載達到一定范圍后，隨負載增大電動機內部損耗增加，電動機效率出現下降趨勢。也就是說，電動機具有一定的合理負載范圍，在此區間電動機的效率可在較高水平上保持穩定。

由電動機效率與負載率變化可知，對于常規Y系列異步電動機，只有當β<0.2時，效率才明顯下降；當β>0.2時，電動機效率不隨β增加而明顯增加，因此，抽油機井負載過輕或配備電動機功率過大的負載率界限為0.2（圖2）。

圖2 常規異步電動機效率在不同CLF時隨負載率的變化曲線

對于負載率合理上限，首先考慮電動機的效率水平，其次當電動機負載過大時，電動機內部損耗增加，同時電動機無法滿足啟動需求。由此可知，常規Y系列異步電動機不過載時理論最大合理負載率為50%（圖3）。

圖3 永磁電動機效率在不同CLF時隨負載率的變化曲線

以現場應用的22kW/30kW永磁同步電動機為例，β<0.2時效率同樣明顯下降。由于效率高、啟動轉矩大，永磁電動機在不過載情況下對應合理負載率上限可達到70%。

由于不同類型電動機的效率水平不同，且不同抽油機井受CLF影響程度不同，因此其所能決定的合理負載率也不相同。

通過電動機合理負載率指導電動機配置，必須考慮滿足油井電動機正常啟動的要求，因為電動機啟動所需力矩（啟動電流）是油井正常運轉過程中的數倍。油井所配電動機必須為生產變化和調參措施留有一定的功率裕量，因此，油井實際的合理負載率上限需在理論基礎上進行修正。計算表明，對于變載荷抽油機井，油井達到滿載時電動機所需功率裕量為3～5kW，按此計算得出：常規Y系列異步電動機合理負載率范圍在20%～45%；永磁同步電動機合理負載率范圍在20%～55%。

受油井實際的電動機規格、電動機效率以及周期載荷系數影響，不同抽油機井實際所能取得的最大合理負載率不同。

3 電動機合理匹配實施與效果

通過建立電動機匹配的功率計算模型以及確定合理的負載率，進一步指導永磁同步電動機的合理匹配與調整，對永磁同步電動機等節能電動機的現場應用也起到了指導作用。

為達到節能效果，保證電動機在高效區內運行，以提高負載率為目標，優先匹配負載率低于20%的井；為準確計算裝機功率，求得周期載荷系數，研發了可測試啟動電流和瞬時運行電流的電參測試儀器。

截至2008年，累計匹配436口井，占全廠抽油機井的30.13%。電動機平均負載率提高了5.3個百分點，有功功率下降了1.78kW（表1），累計節電1691.8×104kWh。其中應用永磁電動機井平均負載率達到30.05%，提高了12.2個百分點。

表1 抽油機井電動機合理匹配效果

2009年共匹配電動機122口井，對比92口，平均裝機功率下降24.5kW，平均負載率由原來的21.2%提高到了30.1%，有功日節電量達到28.8kWh。

4 結論與認識

1）油田進入高含水開發階段，對油井配置的電動機應根據投產后實際生產狀況進行功率需求和負載率水平的合理界定，進一步優化電動機配置，降低抽油機井能耗水平。

2）在對油井進行電動機合理匹配時，應滿足啟動功率需求和油井最大扭矩的要求，同時綜合考慮匹配后合理負載率水平，即可使電動機保持在高效率水平。

3）研究表明，不同類別電動機負載率與電動機效率、周期載荷系數有關，不同類別、不同規格以及對應不同抽汲設備的電動機其合理負載率范圍不同。常規Y系列異步電動機合理負載率范圍為20%～45%，永磁同步電動機合理負載率在20%～55%。

[1]姜云晗,李鐵良,薛劍茹.合理匹配電動機提高抽油機井系統效率[J].油田節能,2005,16(4):32-34.

[2]梁乃成.抽油機井電動機功率匹配方法探討[J].石油石化節能,2012(2):23-24.