抽油機電機節能手段探究

摘 要：目前我公司所用采油設備中抽油機占96%以上，而抽油機傳遞能量的過程有一半以上能量被白白的損失掉了。文中論述了針對抽油機異步電機采取各種措施和進行有目的的改造，推廣新型節能電機，優化參數等，以提高抽油機系統效率，為油田可持續性節能與降耗提供依據。

關鍵詞：抽油機；Pcul；機械損耗

1 概述

油田機械采油中，抽油機占總井數的88%，在目前油田采收工程中，抽油機耗電量占油田總耗電量的45—50% ，由于抽油機井自身結構的特點，系統效率一般在25%左右。以目前濱海公司每口井電機安裝機功率37kw計算，如果能將系統效率提高5%，公司每年節電近98.55*104kWh，將會產生非常客觀的經濟效益與社會效益。

2 抽油機節能途徑

2.1 抽油機系統效率影響因素分析

對于抽油機來講，電機把電能轉化成機械能，通過皮帶、變速箱、連桿等傳動機構把能量傳遞到驢頭上。系統效率η=ηd*ηj。，ηd為地面效率，ηj為井下效率。

地面能量傳遞效率為：

ηd=k*η1*η2*η3

其中：ηd為地面效率

k：有效載荷系數

η1： 皮帶和減速箱效率

η2： 四連桿機構效率

η3： 電機效率

井下效率為：

ηj為= （1-θ1） （1—θ2） （1—θ3） （1—θ4）

其中：ηj：井下效率

θ1 ：密封盒能量損失率

θ2：抽油桿能量損失率

θ3：抽油泵能量損失率

θ4 ：管柱能量損失率

從以上分析可見，想提高抽油機井系統效率，就應針對上面7個影響因子，采取有針對性的措施，來提高系統效率。一般的統計結果表明，松緊程度適合的皮帶效率在95—98%左右，減速箱效率在90%左右，四連桿機構的效率在92—95%，而電機效率視電機類型可以在40～70%左右。可見，在地面系統中，能量損耗主要發生在電機損耗上。

2.2 異步電機能耗分析

為了探尋抽油機拖動電機節能的潛力，我們從普通三相異步電動機原理出發，分析耗能點與可能的節能空間。

普通異步電機的損耗公式為：

△P=Pcul+Pcu2+Pfe+Pm+Ps

其中：Pcul為定子銅耗；

Pcu2為轉子銅耗

Pfe為鐵耗；

Pm機械損耗；

Ps雜散損耗。

一般來說，機械損耗和雜散損耗在一臺電動機設計生產出來后基本是確定不變的，不隨負載的變化而變化。鐵耗與負載運行電流相關，占據電機損耗的一部分。而銅耗部分（定子銅耗+轉子銅耗）是隨負載變化而變化的，且是電機損耗的主要部分，一般都在80%以上，所以說銅耗是影響普通三相異步電動機效率的主要部分，減少銅耗是提高電動機效率的有效途徑。既然找到了銅耗過高是異步電機能量損失的要因所在，下面就分析銅耗高的原因。我們選取經過測試電機效率在60%以下的8口井，發現這部分電機存在一個共性，即井下平均負荷遠低于抽油機功率，也就是說這部分抽油機井的電機長期處于輕載狀態，這其實是游梁式抽油機長期承受周期性交變沖擊載荷的結果，這樣的交變載荷慣性矩大，帶載啟動要求啟動力大，也就需要配備功率較大的電動機來滿足啟動要求，而電動機運行時平均功率較低，致使電機利用率低，長期處于輕載狀態，也就是說電機的非經濟運行狀態比例高。于是，我們提出一個觀點：對于輕載運行的電機，在電動機轉矩大于負載轉矩的情況下，通過降低端電壓來降低銅耗。因為端電壓的降低，使得電動機的磁通和電動勢隨之減小，勵磁電流也會因磁通減小而下降，使得定子銅耗、轉子銅耗均減小，從而降低異步電機總損耗，電機效率得到提高，達到降低損耗節能的目的。那么如何降低端電壓呢，我們想到了三角形——星形轉換。

3 異步電動機三角形——星形轉換降壓

由于游梁式抽油機啟動的特殊性，普通三相異步電機的接線方式均為三角形。我們做個改變，將抽油機配電箱的保護器更換為智能型保護器，增加一對交流接觸器，通過智能型保護器控制交流接觸器的開關，可實現三角形——星形轉換。示意圖見圖1。

具體情況是： 電動機啟動時，交流接觸器KM1、KM2閉合，KM3斷開，為三角形接線方式，線電壓380V不影響啟動性能。抽油機啟動后，通過智能型保護器控制交流接觸器KM2斷開、KM3閉合，電機的接線方式為星形，此時的線電壓為220V。

4 異步電動機降壓的有關計算

應用三角形——星形轉換降壓技術，電動機啟動時接線方式仍為三角形，啟動性能無變化，能滿足機械負載啟動的要求。

4.1 最大負載轉矩的確定

電動機的電磁轉矩

Td =（mP1μ21R2）/（2πsf[（ r 2） 2+（xl+x2） 2]}（公式1）

對上式求導并令導數等于零，可求得最大轉矩

Tdmax= mP1μ1/（2π∫√r12+（x1+x2）2（公式2） 從最大轉矩等式中，我們可以看出電動機的最大轉矩與轉子電阻無關，與電壓的平方成正比。所以，應用三角形——星形轉換降壓后，運行狀態下端電壓由380V降為220V，頻率無變化，則星形運行時電動機最大轉矩的1/3。

4.2 過載保護電流的確定

電機額定功率P=I.732UIcosηφ ，則額定電流I=P/（1.732UIcosηφ）

電機由三角形轉換為星形時線電壓由380轉換為220V，轉速不變， 則轉矩降到1/3。根據 max=9550*P/N，Py=P*I/3， 則Iy==0.58I，將三角形——星形轉換電流設置為額定電流的0.6倍。

4.3 預測降壓節電效益

節約的有功功率△P

△P=（Σ -P0）B2（1-1/KM2）+ KΣ PN（1- KM2）（公式3）

節約的無功功率△Q

△Q=（QN -Q0）B2 （1-1/KM2 ）+Q0（1- KM2） （公式4）

其中：角標為0的是空載狀態，角標為N的是額定負載狀態，P、Q分別為有功功率和無功功率。

4.4 轉換降壓不適用的情況

對于滿載或者重載啟動這類負載率高的抽油機井，如果采用三角形——星形轉換降壓技術后端電壓降低，當電動機轉矩降低到小于負載轉矩時，電動機依靠增大轉差率，提高電磁轉矩達到與負載轉矩平衡匹配的狀態。轉差率的增大會引起轉子電流增加，同時定子、轉子間的電壓向量相角增大，導致定子電流增加，從而使定子和轉子銅耗增加超過鐵耗的下降值，發生能耗增加的現象，并且電動機繞組升溫明顯，嚴重時會出現電機帶不動負載而堵轉，影響電機壽命。

5 推廣應用永磁電機

隨著電力電子技術、微電子技術、新型電機控制理論和稀土永磁材料的快速發展，永磁同步電機得以迅速推廣應用。稀土永磁同步電機優點很多：

（1）功率因數高（可近似為1），基本沒有無功；

（2）反電勢正弦波降低了高次諧波的幅值，有效地解決了對電源的干擾；

（3）減小電機的銅耗和鐵耗，高效率、超節能，滿載起動電流比異步減少一半以上，節能效果明顯；

（4）調速范圍寬等，而且我國稀土材料豐富，使得永磁電機的普及成為可能。

現代抽油機理論認為，游梁式抽油機工作效率不高的主要原因是其載荷特性與所用普通三項異步電動機的轉矩特性不相匹配，電機的負載率過低致使電機以較低的效率運行，換句話說，抽油機懸點載荷狀況是影響抽油機能耗的主要因素。具體為，游梁式抽油機的懸點載荷為周期性變載荷，而驅動抽油機的普通三相異步電動機輸出的轉速和扭矩基本上恒定不變，為滿足峰值扭矩的要求，抽油機不得不配用較大功率的電動機，這就造成了運行過程中大多數情況下電動機處于輕載狀態，運行效率和功率因數都很低，尤其是在無功狀態時的功率因數非常低。此種情況在抽油井更換普通三相異步電機為永磁電機后改觀明顯，尤其是無功功率減少大，功率因數甚至可以達0.95以上。

6 電機節能其他手段

可控硅調壓。現在隨著對可控硅的深入研究，發現加入可控硅調壓可以減少鐵損以及無功電流損耗，以降低電機總損耗提高效率。但是這樣也會帶來負面的影響，電機加入可控硅以后，電機內部的鐵芯、繞組、導條轉子表面產生高次諧波損耗，為了減少這些高次諧波，不得不增加斬波，而頻繁地斬波必然會影響繞組匝間的耐壓，縮短電機的使用壽命。所以這種方法帶來的負面影響目前難以避免，尚需進一步地研究。超高轉差電機。超高轉差電機的實測效果是只在輕載30%以下的負載情況下有較好的節電效果，運用在振動載荷大的井上確實有明顯節電效果。而目前我公司多采用大沖程、低沖次參數，大大限制了此種電機的使用范圍。不過，部分研究單位推出的超高轉差多極電機來做抽油機拖動，可以在一定范圍內適應沖程大沖次低的要求，改善了原高轉差電機不能適用的問題，是我們未來可以關注的一個方向。

7 應用效果

7.1 三角形——星形轉換降壓技術

從2010年10月至2012年6月一共選取45口井安裝三角形——星形配電箱，安裝前后對比，有功節電率8.0%，無功節電率11.2%，平均功率因數提高0.11，運行20個月來累計節電81萬kwh，取得明顯節能的效果。

7.2 推廣永磁電機

2011年以來，累計更換永磁電機約28臺，并且在更換前后做節能測試進行效果對比。從測試報告數據可以看出，更換永磁電機后，平均功率因數提高了0.198，平均單耗下降了0.49kwh/l00m.t，系統效率提高了4.24%，日單井耗電減少41.4kwh，綜合節電率為18.55%，節約電費27.12萬元。

8 結語

（1）三角形—星形轉換降壓節電技術適用于負載率低的抽油機井，有較高的節電率。在技術選井前，應計算校驗電機過載能力。

（2）推廣應用永磁電機改造技術，有較好的節能效果。

參考文獻：

[1]辜承林.電視學[K].華中科技大學出版社.

[2]周封.抽油機節能方法與變頻技術合理應用研究[R].節能技術，2010（03）.

[3]高宇.智能抽油機控制器的研究[R].制造業自動化2010（06）.