抽油機井節能電動機現場測試和效果分析*

辛宏 李樓樓 楊海濤 張磊 劉濤 韓二濤

（1.低滲透油氣藏國家工程實驗室；2.長慶油田分公司油氣工藝研究院）

抽油機井節能電動機現場測試和效果分析*

辛宏1，2李樓樓1，2楊海濤1，2張磊1，2劉濤1，2韓二濤1，2

（1.低滲透油氣藏國家工程實驗室；2.長慶油田分公司油氣工藝研究院）

為了提高抽油機井拖動電動機效率，長慶油田引進了多種節能電動機，如雙功率電動機、交流永磁伺服電動機、三相異步電動機+變頻、繞線式轉子變頻電動機、開關磁阻電動機等，但各種電動機之間缺乏綜合性能比較，為此在機采節能技術評價系統上開展了六種電動機空載、帶載啟動、不同平衡狀態下節能性能對比試驗。結果顯示，與三相異步電動機相比，應用節能電動機可實現通過提高電動機效率帶動系統效率提升2～3個百分點，其中開關磁阻電動機，空載損耗小、自身效率高、在平衡狀態下耗電量最小，系統效率最高，更適合游梁式抽油機工況。

節能電動機；游梁式抽油機；空載損耗；負載啟動特性；系統效率

游梁式抽油機承受一種帶有沖擊性的周期交變載荷，啟動轉矩大，這種負載要求導致拖動電動機功率大，抽油機正常運行時，又處于輕載狀態，負載率低，電動機效率低[1]。大部分抽油機功率利用率低于25%，從而造成其運行效率低。為了提高抽油機拖動裝置運行效率，要求選用的電動機具有以下特性：啟動扭矩大、啟動電流小；高效區間寬，而不僅僅是高效點；有短時過載能力。

目前，長慶油田抽油機在用有多種節能電動機，包括雙功率電動機、交流永磁伺服電動機、三相異步電動機+變頻、繞線式轉子變頻電動機、開關磁阻電動機，每種電動機文獻上都有性能介紹，但缺乏電動機之間的綜合性能比較，到底哪一種更適合長慶油田的工況，節能效果更顯著，為了清楚這個問題，在機采節能技術評價系統上開展了六種電動機對比試驗。

1 測試電動機原理及特點

對比測試的六種電動機均為長慶油田在電動機。如表1所示，首先介紹各種電動機的基本參數和原理特點。

1.1 開關磁阻電動機

磁阻電動機與電子開關驅動控制器組成一體的控制裝置，轉子是由硅鋼片壓制而成，結構簡單，適用于高速和環境惡劣場合。啟動轉矩大，在寬廣的轉速和功率范圍內均具有較高的效率。控制參數多，控制方式靈活[2]。瞬時轉矩脈動較大，噪聲的問題較突出。

1.2 交流永磁伺服電動機

電動機轉子由稀土永磁材料和起動鼠籠組成。轉子損耗比普通異步電動機小，因此電動機本身的效率比普通電動機高約 5%，功率因數能達到 0.9以上，其額定運行機械特性比普通電動機還硬。起動電流大，起動過程中，電動機轉矩有振蕩。稀土永磁電動機的價格比普通電動機高約1倍，并且目前稀土永磁電動機經常出現退磁現象[3]。

1.3 三相異步電動機+變頻

采用變頻調速控制，電動機的功率因數可提高到0.9以上，從而減輕了電網及變壓器的負擔，降低了線損。變頻器本身有功率損耗，變頻器的諧波對電網也有影響，并會使電動機附加損耗增大[4]。

1.4 繞線式轉子變頻電動機

由繞線式電動機、變頻裝置及逆變裝置組成，電網接入電動機定子端，改變轉子端電流頻率實現電動機調速，轉子端輸出交流電先變換成直流電，再逆變成與電網同頻同相的交流電回饋電網。具有易于控制、啟動力矩大、過載能力強等特點。轉子繞組和滑環，結構復雜，運行可靠性降低[5]。

表1 測試六種電動機的基本參數表

1.5 雙功率電動機

雙功率電動機與普通電動機的區別在于定子繞組不同，定子繞組是1個串聯繞組，通過1個電流檢測電路，實現繞組的自動切換。起動時可投入大功率繞組，運行時可投入小功率繞組，小功率繞組的效率和功率因數都很高，雙功率電動機適合于舊電動機節能改造，其缺點是電動機的制造難度和成本增加了[6]。

2 測試評價系統

機采節能技術評價系統是依托1口生產井搭建的，該系統由信號采集系統和數據處理及評價系統兩部分組成。

圖1 抽油機測試點分布圖

1）信號采集系統由測試點上的各種傳感器和測試裝置組成，即對試驗井上各測試點進行信號采集，如圖1所示，測試點包括控制柜輸入端電參數據、控制柜輸出端電參數據、電動機軸輸出端扭矩和轉速、動液面、示功圖和油套壓等參數。測試儀器：載荷位移傳感器、扭矩傳感器、轉速傳感器、回聲儀、電能質量測試儀、壓力計、三相四線數字式電度表，試驗井基本參數見表2。

表2 試驗井基礎參數

2）數據處理評價系統主要功能可實現系統參數控制、計算電功率參數、變頻下諧波參數、電動機輸出功率、泵功圖診斷及各節點效率和經濟運行評價。測試依據SY/T 5264—2012《油田生產系統能耗測試和計算方法》、GB/T 14549—1993《電能質量公用電網諧波》、GB/T 10069.3—2006《旋轉電動機噪聲測定方法及限值》。

3 測試內容

試驗井在相同工作制度下，即沖速4 min-1、沖程2.5 m保持不變，分別開展六種電動機的空載、負載啟動、三種平衡狀態下能耗等對比測試。

3.1 空載損耗

相同功率等級下，測試六種電動機空載時控制器輸入電流（表3），三相異步電動機和雙功率電動機不能調速，只測試額定轉速下空載有功功率，其余四種電動機分別測試了在不同轉速下有功功率值，對比可見開關磁阻電動機的空載損耗小、自身效率高。

表3 不同系統空載有功功率測試對比

表4 最大啟動電流對比

表5 三種平衡狀態下六種電動機節能評價

3.2 負載啟動特性

對比最大啟動電流值（表4），交流永磁伺服電動機、繞線式轉子變頻電動機和三相異步電動機+變頻最大啟動電流值較小，原因是其具有軟起動功能，對設備沖擊小，滿足抽油機帶載啟動要求。

3.3 六種電動機節能評價

三種平衡狀態是以三相異步電動機運轉時測試確定，并記錄好曲柄塊位置，更換其它類型電動機后，通過調整曲柄塊位置對平衡狀態進行調整。由于油井屬于間歇出液，應用系統效率測試儀測試的有功功率存在一定波動，根據SY/T 5264—2012《油田生產系統能耗測試和計算方法》，這里計算機采系統效率所用數據為電表連續測試24 h反算的有功功率值。有效功率計算公式中的產液量應用的是功圖計量系統計算的日產液量。

從表5可見，開關磁阻電動機、交流永磁伺服電動機、繞線式轉子變頻電動機三種電動機與三相異步電動機相比，百米噸液耗電量均有較大幅度的降低。平衡狀態下，開關磁阻電動機百米噸液耗電量最小，系統效率最高。繞線式轉子變頻電動機，具有電能回饋系統，在欠平衡和過平衡狀態下，百米噸液耗電量最小，系統效率最高。

4 結論

1）與三相異步電動機相比，應用節能電動機可實現通過提高電動機效率帶動系統效率提升的目的。在選擇節能電動機時，除節電效果外，還需考量電動機全生命周期費用。

2）開關磁阻電動機，空載損耗小、自身效率高。平衡狀態下百米噸液耗電量最小，系統效率最高，相比較更適合游梁式抽油機工況，但需要增加軟啟動功能。

3）繞線式轉子變頻電動機，具有電能回饋系統，在欠平衡和過平衡狀態下，百米噸液耗電量最小，系統效率最高。

4）三相異步電動機+變頻通過改變沖速省電，在相同沖速下比較時有功功率最高，最耗電。

[1]甘慶明.開關磁阻電動機在采油設備中的應用探討[J].石油機械，2009，37（4）：70-72.

[2]張志學.開關磁阻電動機在節能長沖程抽油機的應用[J].石油礦場機械，2009，38（8）：75-78.

[3]郭勤良，王釗，王群章，等.稀土永磁同步電動機在抽油機上的應用分析[J].石油礦場機械，2005，34（2）：54-56.

[4]劉慧芬.變頻調速技術在游梁式抽油機中的應用[J].石油礦場機械，2004，33（5）：77-79.

[5]何先君，常彥榮，劉鐵，等.游梁式抽油機“一拖多”轉子變頻調速技術的試驗應用[J].石油石化節能，2014，12（3）：23-24.

[6]張波.抽油機雙功率電動機在安塞油田應用的節能分析[J].石油工業技術監督，2012（6）：55-60.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.01.010

2016-08-29

（編輯 沙力妮）

辛宏，工程師，2008年畢業于中國石油大學（北京），從事采油工藝技術、油田數字化建設、水平井采油技術方面的研究工作，E-mail:xinh_cq@petrochina.com.cn，地址：陜西省西安市未央區明光路長慶油田新技術研發中心油氣工藝研究院采油一室，710021。

國家科技重大專項“長慶姬塬油田特低滲透油藏綜合利用示范基地”項目編號：1301-4-3。