抽油機變頻節能分析研究

羅如山 康博 劉美 陳金鵬

【摘 要】抽油機是石化企業常用的地面動力傳動設備，抽油機等設備裝置的節能方法成為石化企業重點討論和研究的對象。文章對抽油機及動力系統進行原理分析及計算，分析每個裝置在不同情況的效率計算公式，增加變頻調速裝置來完善電動機的效率，同時對其中的機械與電氣環節進行改良。通過設計變頻調速節能系統，在運行的基礎上分析其實際的能耗數據，結果表明，該系統有助于提升節能效果及經濟效益，達到了很好的效果。

【關鍵詞】抽油機；節能；變頻

【中圖分類號】TE933.1 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）12-0037-03

0 引言

抽油機在石化企業的使用已經有接近百年的歷史，是常用的地面動力傳動設備，它是“三抽”系統的重要組成部分并承擔著主要作用。在抽油機的范圍內，游梁式抽油機的使用時間最長，使用率高，并且使用范圍和區域也非常廣，它結構簡單，操作方便，維護容易而且成本低，因此現在有許多產油企業仍然在大范圍地使用它，這也是游梁式抽油機百年來受歡迎的原因。但是，隨著一些油田石化企業進入開發后期，油井含油量不斷下降，含水量在上升，使得石油開采的生產成本也在不斷地增加，因此當前需要解決的問題還是開發研究抽油機節能設備，以提升抽油的效率，減少抽油的損耗。

從20世紀70年代開始，研究人員已經開始研究一些新型具有節能功效的抽油機來降低采油的生產成本，其中有桿抽油技術取得了實質性的突破，因此在最近的30年中，科學研究人員設計并且開發了具備節能效果的改進型抽油機。這些節能型抽油機可以最大限度地實現節約能源，提高運行的經濟效益，取得良好的社會效益。采用節能技術，不但可以減少動力的損耗，還可以增強抽油機的性能，提升了其動力特性。此外，采用節能型抽油機可以減小抽油機的質量和占地面積，提高抽油機的使用率，并且使其具備智能化等。

節能設備的驅動包含了改變電動機的機械結構及其機械特性，要設計出一種電動機與抽油機工作特性匹配，并適應于抽油機所處環境。如果要提升電動機的效率，需要改變電動機的功率因數與轉差率，功率因數的增加，可以反映電動機的節能效果，而轉差率高的電動機同樣可以達到節能的效果。傳統的電動機轉差率一般低于0.05，較高轉差率的電動機的轉差率一般在0.1～0.13之間，可以使用更高轉差率的電動機來替代以前的電動機。

1 電動機節能工作原理

從原理和電機工作特性上來講，電動機的選擇是由其機械特性及負載特性決定的。電動機的效率和功率因數隨負載變化的曲線如圖1所示。

圖1中，PN代表額定功率，P2代表電動機的輸出功率，功率因數是cosf，效率為η。我們假設β=P2/PN為系統的負載率，β的取值范圍處于0.75～1.00的時候，電動機的功率因數和效率接近額定負載時的功率因數和效率。如果β的取值范圍處于0.50～0.60，電動機功率因數將會降低11%～14%，同時效率降低3.5%～4.5%；如果β的取值范圍小于0.40的時候，功率因數降低21%～29%，而效率降低很大，達到10.5%～14.5%。這也就是抽油機在使用異步電動機時所存在的問題，絕大多數時間運行效率和功率因數低。因此，只能讓電動機保持在較穩定狀態下的負荷，才能符合抽油機所需要的額定的功率，同時電動機的功率因數方可以更加接近1。

根據上面的分析可知，抽油機工作效率不高的原因是抽油機工作特性和它所用的異步電動機的機械特征性能不完全匹配。

2 抽油機電動機功率的計算

抽油機的工作效率與交流異步電動機的很多參數有關，這些參數除了電動機自身的額定輸出機械功率的數值和各種額定電氣參數的數值外，還與電動機所帶的負載機械特性有著密切的關系。在交流異步電動機輸出的機械功率的數值低于額定功率的數值很多的情況下，這時異步電動機的工作效率比較低，從而降低了整個系統的工作效率。此外，由于一些特殊原因引起的效率低下，例如啟動轉矩較大的時候，帶動比較小的負載或者選擇小功率異步電動機機作為控制對象，這時就會出現不匹配的現象。在整個電動機輸出機械功率大致相同的同時，電機在各個部分消耗能量的大小和形式是有所不同的，它最終的表現為鐵損、銅損、機械損耗及其他損失。從抽油機的角度分析消耗的能量，是由于抽油機的工作狀況和交流電機使用情況不匹配，并且異步電動機和游梁式抽油機工作狀況相差較大，所以在抽油機所帶的負載發生變化時，電動機所提供的速度沒有進行相應的調整，以致電機輸出的功率沒有得到很好地利用，實際輸出的能量不少，但大部分能量都沒有得到有效地利用。從機械的角度看，大部分能量會在機械裝置的內部應力中（峰值阻力矩高）被消耗，因此整體系統耗電量不低。抽油機采用的異步電動機的輸出機械特性與負載特性決定了它的工作效果。下面分析異步電動機功率和轉矩之間的聯系。

M=9550■（1）

公式（1）中：M表示轉矩，單位為N·m；N為電動機額定功率，單位為kW；n為懸點沖次，單位為min-1；η為電動機效率，η=η1×η2；η1為傳送帶傳動效率；η2為變速箱傳動效率。

則電動機的額定功率如公式（2）。

N=■（2）

從公式（2）可以看出，電動機的額定功率與轉矩和轉速的值有關，在負載不變的情況下，與兩者的乘積呈正比關系。如果負載發生改變，那么上述計算方式也要改變。如果按照上面公式計算，會導致電機運行效率較低，影響系統節能效果。在這種情況下，需要改用下面的公式進行分析和計算。電動機功率與轉速計算公式如公式（3）。

Nr=■（3）

公式（3）中：Nr為需要的電動機額定功率，單位為kW；n為懸點沖次，單位為min-1；η為電動機傳動效率；Me為均方根轉矩，單位為N·m。

上面公式里出現的均方根轉矩，它也可以用等效法進行等效。具體操作是在電動機產生熱量一致的情況下，那我們可以用瞬時轉矩來等效均方根轉矩的算法。

Me=■=■（4）

公式（4）中：M為曲柄軸實時轉矩，單位為N·m，θ為曲柄轉角。在進行計算的過程中，△θ的取值越小，那么相應計算結果會更加精確。

周期載荷系數（CLF）表達式如公式（5）。

CLF=■=■（5）

公式（5）中：Mi為曲柄在i的實時轉矩，單位為N·m。

3 抽油機變頻節能分析

電動機的節能在石化企業至關重要，我們一般使用節電率衡量電動機節能的性能。它表示了電動機下降功率與有功功率的比值。公式如下。

ψ=■%（6）

公式（6）中：ψ為節電率；N，Ne為改造前、后電機的輸出功率，單位為kW。

由公式（3）可知，Me的值越低，Nr的值越低，電機的輸出功率變低。可以看出，從上面公式的求解，可以看出電動機工作狀態發生改變，輸出功率下降，從而消耗的電能減少。而電動機轉矩變化的平穩性增加，電動機的工作狀況得到很好的改良，提高了工作效率，從而實現節能的目的。

改良以后的抽油機變頻節能效果可以通過對其中的運行數據進行分析計算。改造以前，平均有功功率為6.6 kW，改造后為6.1 kW，節約電能約7%。單井每天節約電能10 kW·h，那么540口油井一年節約電能達到10 kW·h。同時，對其控制柜進行改良，改良前，平均有功功率為9.5 kW，改造后為8.4 kW，節電率達到11%。從以上分析可以看出，運用變頻調節可以節約電能。

以全天24 h運行的中小型抽油機配套的75 kW異步電動機為例，企業增加75 kW異步電動機配置抽油機變頻節能控制設備成本約6萬元。每臺抽油機年平均節約用電量為15 kW·h。每年節電為15萬kW·h×11%=16 500 kW·h。現在根據調查地區工業用電的價格為0.975元/kW·h，這樣單臺設備每年節約電費為16 500×0.975=16 087.5元。運用此技術還可以節省其他設備（如軟啟動裝置及保護裝置等）所需的費用2 000元。那么，節省的總費用為18 087.5元，投資的回收周期為60 000/18 080≈3.3年。

從以上分析可以看出，投入變頻節能裝置不但可以從實質上達到節能的效果，而且可以使投資回收周期變短，從而獲得更好的經濟效益。

4 總結

石化企業電動機節能越來越受到重視，抽油機等設備裝置的節能方法更成為石化企業重點討論和研究的對象。本文通過計算和分析，分析每個裝置在不同情況的效率計算公式，增加變頻調速裝置來完善電動機的效率，同時對其中的機械與電氣環節進行改良，使得最后綜合效率提高，達到企業生產的需要。

參 考 文 獻

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[責任編輯：鐘聲賢]