優(yōu)化抽油機(jī)井電動機(jī)合理匹配降低能耗技術(shù)研究

楊紅艷（大慶油田有限責(zé)任公司第八采油廠）

1 電動機(jī)合理匹配計算模型

電動機(jī)裝機(jī)功率的原則就是在配備電動機(jī)時，實際功率需求不超過選配電動機(jī)額定功率[1]，即

除了滿足功率要求以外，還應(yīng)滿足最大扭矩的要求，即傳到電動機(jī)軸的最大扭矩不應(yīng)當(dāng)超過電動機(jī)允許的最大扭矩：

2 電動機(jī)合理負(fù)載率的研究計算

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

2.1 電動機(jī)負(fù)載率

電動機(jī)的平均負(fù)載程度，又稱為功率利用率，即電動機(jī)平均軸功率P2m與其額定功率PN之比：

2.2 周期載荷系數(shù)

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

2.3 電動機(jī)合理負(fù)載率界限

尋求電動機(jī)合理負(fù)載率界限必須保證電動機(jī)在較高效率水平運(yùn)行，由此率先建立電動機(jī)負(fù)載率與電動機(jī)運(yùn)行效率之間的關(guān)系：

令式中P0=P0/PN，即

電動機(jī)效率與電動機(jī)本身效率特性、負(fù)載率以及周期載荷系數(shù)3個因素有關(guān)（圖1）。

圖1 電動機(jī)效率在不同CLF時隨負(fù)載率的變化曲線

分析曲線變化，負(fù)載率越高，CLF對電動機(jī)效率的影響越大。當(dāng)電動機(jī)負(fù)載達(dá)到一定范圍后，隨負(fù)載增大電動機(jī)內(nèi)部損耗增加，電動機(jī)效率出現(xiàn)下降趨勢。也就是說，電動機(jī)具有一定的合理負(fù)載范圍，在此區(qū)間電動機(jī)的效率可在較高水平上保持穩(wěn)定。

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

圖2 常規(guī)異步電動機(jī)效率在不同CLF時隨負(fù)載率的變化曲線

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

圖3 永磁電動機(jī)效率在不同CLF時隨負(fù)載率的變化曲線

以現(xiàn)場應(yīng)用的22kW/30kW永磁同步電動機(jī)為例，β<0.2時效率同樣明顯下降。由于效率高、啟動轉(zhuǎn)矩大，永磁電動機(jī)在不過載情況下對應(yīng)合理負(fù)載率上限可達(dá)到70%。

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

通過電動機(jī)合理負(fù)載率指導(dǎo)電動機(jī)配置，必須考慮滿足油井電動機(jī)正常啟動的要求，因為電動機(jī)啟動所需力矩（啟動電流）是油井正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的數(shù)倍。油井所配電動機(jī)必須為生產(chǎn)變化和調(diào)參措施留有一定的功率裕量，因此，油井實際的合理負(fù)載率上限需在理論基礎(chǔ)上進(jìn)行修正。計算表明，對于變載荷抽油機(jī)井，油井達(dá)到滿載時電動機(jī)所需功率裕量為3～5kW，按此計算得出：常規(guī)Y系列異步電動機(jī)合理負(fù)載率范圍在20%～45%；永磁同步電動機(jī)合理負(fù)載率范圍在20%～55%。

受油井實際的電動機(jī)規(guī)格、電動機(jī)效率以及周期載荷系數(shù)影響，不同抽油機(jī)井實際所能取得的最大合理負(fù)載率不同。

3 電動機(jī)合理匹配實施與效果

通過建立電動機(jī)匹配的功率計算模型以及確定合理的負(fù)載率，進(jìn)一步指導(dǎo)永磁同步電動機(jī)的合理匹配與調(diào)整，對永磁同步電動機(jī)等節(jié)能電動機(jī)的現(xiàn)場應(yīng)用也起到了指導(dǎo)作用。

為達(dá)到節(jié)能效果，保證電動機(jī)在高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行，以提高負(fù)載率為目標(biāo)，優(yōu)先匹配負(fù)載率低于20%的井；為準(zhǔn)確計算裝機(jī)功率，求得周期載荷系數(shù)，研發(fā)了可測試啟動電流和瞬時運(yùn)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(jī)井的30.13%。電動機(jī)平均負(fù)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(jié)電1691.8×104kWh。其中應(yīng)用永磁電動機(jī)井平均負(fù)載率達(dá)到30.05%，提高了12.2個百分點。

表1 抽油機(jī)井電動機(jī)合理匹配效果

2009年共匹配電動機(jī)122口井，對比92口，平均裝機(jī)功率下降24.5kW，平均負(fù)載率由原來的21.2%提高到了30.1%，有功日節(jié)電量達(dá)到28.8kWh。

4 結(jié)論與認(rèn)識

1）油田進(jìn)入高含水開發(fā)階段，對油井配置的電動機(jī)應(yīng)根據(jù)投產(chǎn)后實際生產(chǎn)狀況進(jìn)行功率需求和負(fù)載率水平的合理界定，進(jìn)一步優(yōu)化電動機(jī)配置，降低抽油機(jī)井能耗水平。

2）在對油井進(jìn)行電動機(jī)合理匹配時，應(yīng)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(fù)載率水平，即可使電動機(jī)保持在高效率水平。

3）研究表明，不同類別電動機(jī)負(fù)載率與電動機(jī)效率、周期載荷系數(shù)有關(guān)，不同類別、不同規(guī)格以及對應(yīng)不同抽汲設(shè)備的電動機(jī)其合理負(fù)載率范圍不同。常規(guī)Y系列異步電動機(jī)合理負(fù)載率范圍為20%～45%，永磁同步電動機(jī)合理負(fù)載率在20%～55%。

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

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