電動機合理匹配的節能降耗方法研究

李璦輝（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

鑒于目前國內機械采油井多應用旋轉電動機作為其動力源的實際，著重探討機采井應用旋轉電動機節能的理論基礎。

國外對節能電動機的通俗叫法是“高效率或高效電動機”，而我國通常叫節能電動機。高效電動機就是在制造上確保其運行效率盡量高，并借助于控制系統使其在高效率區間（85%～95%）運行的電動機。

1 機采井拖動裝置節能的理論基礎

機采井節能在理論上所追求的是“機采井的機械特性與電動機特性間的合理匹配”，也就是說，真正實現機采井運行負載與電動機輸出負載間的合理匹配[1]。

在抽油機拖動裝置的設計中，依據滿足抽油機曲柄旋轉扭矩的要求來設計電動機（選擇電動機時必須要考慮電動機的扭矩）。

1.1 均方根扭矩的計算方法[2]

依據凈扭矩曲線計算其均方根扭矩Te：

式中：

Te——均方根扭矩，kN·m；

N——等分區間數；

Tni——瞬時扭矩值。

均方根扭矩最大值可由下式求得：

式中：

Mmax——計算最大扭矩，kN·m；

S——實測光桿沖程，m；

Pmax——實測最大懸點載荷，kN；

Pmin——實測最小懸點載荷，kN。

公式（1）的計算結果，在示功圖的測試回放中就已經計算完成，這為直接調用提供了方便。兩種方法的比對結果顯示，應用公式（2）計算的結果與公式（1）計算的結果其相對誤差在4%以內，能夠滿足現場的需求。

1.2 電動機扭矩的計算方法

式中：

M——電動機扭矩，N·m；

P——電動機功率，kW；

nd——電動機銘牌轉速，r/min。

1.3 抽油機額定（實際）扭矩折算成所需電動機扭矩的計算方法

其中

式中：

Md——抽油機額定（實際）扭矩折算成所需電動機扭矩，N·m；

d——電動機皮帶輪直徑，mm；

D——減速器大輪直徑，mm；

k——減速器總傳動比（CYJ10-3-37HB，k=28）；

n——確定抽油機沖速，min-1。

1.4 將電動機扭矩折算成電動機功率的計算方法

式中：

ηm——從電動機到曲柄軸的傳動效率，取0.8～0.85；

2 機采井拖動裝置節能的設計原則

利用能量守恒原理不難看出：所謂機采井的節能實質上是指“機采井的機械特性與電動機特性間的合理匹配”，從而確保電動機始終在高效區域運行。

就常規的Y系列電動機而言，當其在高效區域（85%～95%）運行時，一般的節能設備對其節能是不起作用的。

一體化抽油機節能拖動裝置是指電動機具有多速、多功率或超高轉差率等特性，并配有專用（實現電動機上述特性）的控制柜，此時的合二或合三(含特殊變壓器)為一才能稱之為一體化，而并不是將配電箱裝在電動機上就叫一體化。

在綜合考慮了抽油機的機械特性、電動機的特性及其節電率的情況下，在選用抽油機節能拖動裝置時應考慮如下幾個問題：

1）為有效延長抽油機的使用壽命，要求其配套的拖動裝置應具備較軟的啟動特性。

2）為確保供排關系的平衡，要求其配套的拖動裝置在啟動后的正常運行中其轉速基本恒定。

3）具備根據抽油機井的工況，自動調整其輸出功率的功能，以達到最佳的合理匹配。

4）盡量選用磁級數≥8的電動機，以確保其扭矩足夠大，適當降低裝機機座號（裝機功率）。

例如：CYJY10-3-37HB抽油機滿負載工作時，其減速箱額定扭矩為37kN·m（n=9r/min），所需最小電動機扭矩為450N·m。

選用Y280S-837kW電動機時其扭矩為477.5N·m，完全滿足要求

選用Y280S-645kW電動機時其扭矩為477.5N·m，基本滿足要求

可見，同樣是CYJY10-3-37HB抽油機，若選用Y280S-837kW的電動機就能夠完全滿足要求，選用Y280S-645kW的電動機僅能夠基本滿足要求。

5）電動機的體積不能過于龐大，盡量選用S、M的機座號。

3 電動機星-角接線轉換應用的理論基礎

從理論上探討了應用電動機星-角接法轉換，達到使其與負載近似匹配的可行性。

3.1 接線方法的改變

電動機星-角接法轉換是根據電動機負載變化情況，用改變繞組接線方式來調整電壓，使其與負載近似匹配，從而達到一定的節電效果。當電動機滿載時，負載率大于40%，應用角形接法，全電壓（380V）運行；電動機輕載時，負載率小于40%，應用星形接法，繞組在220V電壓下運行。

3.2 實現星-角接線法的理論依據

由于本文探討的是非自動星-角轉換，即需要給出直接采用星運行的條件，要求實現星運行后電動機不能過載，同時又能夠實現合理匹配。

3.2.1 適用場合

應用星-角接法對電動機進行節電轉換，應注意以下幾點:

1）星-角形接法屬電動機調壓，只能用改變繞組接線方式來調整運行電壓，即只能380V、220V跳躍變換，不能隨負載率變化任意調整電壓。

3.2.2 關于星-角接線法轉換電動機功率的確定

交流電路中的電功率：在交流電路中電功率分為 視 在 功 率 S(S =?I線?V線) 、 有 功 功 率P(P =?I線?V線?cosφ ) 和 無 功 功 率Q(Q =?I線?V線?sinφ )。

式中：

S——視在功率，VA；

表1 電動機調整預測結果

P——有功功率，W；

Q——無功功率，var；

V線——線電壓，V；

I線——線電流，A；

cosφ——功率因數。

有功功率的計算：對于恒定的負載而言，在功率因數一定的條件下（實際上△接與Y接中的cosφ不可能相等）。

假設負載恒定，△接與Y接中的cosφ相等，則：

角形連接中

星形連接中

實際應用：由于扭矩與電壓的平方成正比，星接扭矩只有角接扭矩的1/3；利用實測的功率因數，借助于△接中的額定電流與工作電壓來計算

式中：Ie——額定電流，A。

角接直接變為星接的條件是：抽油機的負載扭矩小于電動機△接工作扭矩的1/3；電動機的銘牌功率將變為

這種方法適用于電動機繞組角接，接線盒有6個接線柱，處于輕載運行或滿載-輕載交替運行的電動機。角-星形接法轉換只需對電動機一、二次接法略為改動，改法簡單，可有效地避免不經濟運行方式。

4 常規電動機合理匹配的現場試驗

為了進一步提升機采井的管理水平，本著確保抽油機井經濟、安全、平穩運行的原則，對45口抽油機井電動機的匹配情況進行了詳細分析，結果見表1、表2。

分析結果顯示，這些井在用電動機的匹配情況不容樂觀，主要存在兩類問題井，低負荷井15口，超負荷井2口。結合目前實際，提出井13與井15進行電動機調整。

表2 電動機調整后結果

4.1 井13與井15現狀

井13在用機型為CYJ10-4.2-53HB，使用沖程3.6m；使用沖速8min-1，在用電動機為YCY280M2-8，銘牌功率55kW，抽油泵為CYB38TZAM6.64-1.5。

井15在用機型為CYJ10-4.2-53HB，使用沖程4.2m；使用沖速10min-1，在用電動機為SD/YCHD250-8/6雙速可調電動機，銘牌功率20kW/30kW，抽油泵為CYB57TZAM6.48-1.5。

目前，井15在用的是節能電動機，一直處于超負荷運行，進入伏天后，此井存在燒電動機的隱患；而井13又是低負荷井，上述2口井具備實施電動機逐級匹配的條件，對井13與井15的電動機進行互換。

4.2 電動機調整設計結果

應用抽油機拖動裝置的設計方法的理論，對2口井電動機對調情況進行了預測，情況見表1。

從計算結果中可以看出，這2口井的電動機對調是合理的。

4.3 電動機調整效果

上述2口井實施了電動機對調，從運行情況來看，2口井的消耗功率都有所降低，系統效率得到了一定的提高，其平均有功節電率達到了15.87%，實現了預期的效果。

5 結論與認識

1）為有效延長抽油機的使用壽命，要求其配套的拖動裝置應具備較軟的啟動特性。

2）為確保供排關系的平衡，要求其配套的拖動裝置在啟動后的正常運行中其轉速基本恒定。

3）盡量選用磁級數≥8的電動機，以確保其扭矩足夠大，適當降低裝機機座號（裝機功率）。

4）電動機的合理匹配，是實現機采節能的有效途徑之一。

5）對于如何開展星形接法運行的匹配，應盡快地開展試驗。

[1]王鴻勛,張琪.采油工藝原理[M].北京:石油工業出版社,1989:18.

[2]董世民,張士軍.抽油機設計計算與計算機實現[M].北京:石油工業出版社,1994:21.