游梁式抽油機井電機發(fā)電狀態(tài)問題分析及治理

王竺，梁健美，侯志欣

大慶油田有限責任公司第七采油廠 ，黑龍江 大慶 163517

一、問題的提出

現(xiàn)場對游梁式抽油機井進行能耗監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)，測試電機的有功功率會出現(xiàn)周期性的負值，而此時三相電流仍顯示為正值。利用機械式有功電能表進行測試，電能表會出現(xiàn)周期性的“反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，由此判斷這種負功功率是電機發(fā)電所致的。

從1#井測試一個沖程周期內(nèi)的有功功率（圖1）、三相電流和電壓（圖2）的變化曲線上看，電壓恒定，有功功率分別在上、下沖程中出現(xiàn)了負值，說明該井存在電機發(fā)電狀態(tài)，而此時的三項電流仍顯示為正值。

從2#井測試3min的有功功率（圖3）、三相電流和電壓（圖4）的變化曲線上看，電壓恒定，有功功率在每個波形周期中都出現(xiàn)了負值，而三相電流仍顯示為正值，測試該井的電流平衡率為90%左右，通過電流法測算，該井處于平衡狀態(tài)。

2012年對葡萄花油田556口游梁式抽油機井進行了抽測（表1），其中有404口井存在負功功率，存在電機發(fā)電，占抽測井數(shù)的72.7%，平均單井負功功率0.45kW。

表1 游梁式抽油機井抽測情況統(tǒng)計

二、電機發(fā)電狀態(tài)分析

產(chǎn)生負功功率的原因是由于游梁式抽油機井在重載狀態(tài)下運行時，電機從電網(wǎng)汲取了過多的能量，這部分能量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)慣性能儲存于平衡塊中；當游梁式抽油機在輕載狀態(tài)下時（圖5和圖6），平衡塊將這部分能量釋放出來，驅(qū)使電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速超過了電機旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了反向切割定子的磁力線，產(chǎn)生了反向制動電流，此時電機處于正向反饋制動狀態(tài)，使機械能轉(zhuǎn)換成電能，此時電動機就變成了1臺發(fā)電機。

圖1 1#井有功功率變化曲線

圖2 1#井三相電流和電壓變化曲線

圖3 2#井有功功率變化曲線

圖4 2#井三相電流和電壓變化曲線

由于電機在游梁式抽油機的拖動下轉(zhuǎn)速不定，所發(fā)電的頻率和相位不能達到電網(wǎng)要求，從而會“污染”電網(wǎng)，造成電網(wǎng)供電不穩(wěn)定，加重電網(wǎng)在無功功率上的負擔，降低電網(wǎng)的功率因數(shù)。這種狀態(tài)使電機處于空載運行，造成了電能的浪費，同時增加了電機的自身損耗，縮短了電機的使用壽命。

圖5 電機正常運行狀態(tài)

圖6 電機產(chǎn)生制動狀態(tài)

三、技術對策

目前，葡萄花油田針對電機發(fā)電狀態(tài)的解決方案共有3種，具體技術的原理和效果如下。

1.功率隨動數(shù)控拖動裝置

功率隨動數(shù)控拖動裝置為變頻控制技術的一種，該技術是通過提高電機旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，讓旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速≥電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，在消除電機發(fā)電狀態(tài)，降低電機無功損耗的同時，借助游梁式抽油機平衡塊的慣性作用，降低抽油機負載對電機轉(zhuǎn)矩的需求，從而降低電機的功率消耗。2011年現(xiàn)場應用50口井，跟蹤對比電參數(shù)31口井（表2），平均單井負功功率由0.404kW降為0。

表2 電參數(shù)效果對比

2.超越離合器

圖7 超越離合器

超越離合器的結構有點類似自行車的飛輪，主要由皮帶輪和單向離合器兩大部分組成。超越離合器（圖7）安裝在電機輸出軸上，當從電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速超過電機旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速時，超越離合器的棘爪自動分開，使皮帶與電機傳動系統(tǒng)形成瞬間的脫離，此時電機空載運行，曲柄、平衡塊與抽油桿柱發(fā)生短暫的超越或加快；當電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于電機旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速時，超越離合器的棘爪嚙合，使電機保持正常的傳動狀態(tài)。2009～2011年現(xiàn)場應用33口井，平均單井負功功率由0.631kW降為0（表3）。

表3 試驗井能耗效果對比表

3.智能化多功能調(diào)速裝置

智能化多功能調(diào)速裝置屬于變頻調(diào)速裝置，它是通過制動單元，將電機的發(fā)電狀態(tài)消除的。制動單元全稱為“變頻器專用型能耗制動單元”或“變頻器專用型能量回饋單元”，主要是將電機所產(chǎn)生的再生電能，通過制動電阻轉(zhuǎn)換成熱能散發(fā)出去，或者是將再生電流反饋回電路。2012年現(xiàn)場應用智能化多功能調(diào)速裝置84口井，應用后（表4）平均單井有功節(jié)電率17.8%，無功節(jié)電率67.9%，綜合節(jié)電率24.5%，負功功率由0.47kW降為0。

表4 智能化多功能調(diào)速裝置電參數(shù)效果對比

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