某區(qū)塊抽油機(jī)井應(yīng)用節(jié)能電動(dòng)機(jī)適應(yīng)性研究

張寶玉 謝芳（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

1 現(xiàn)狀

目前，油田逐步進(jìn)入中、高含水期，老井含水不斷上升，通過(guò)不斷采取措施提升產(chǎn)液來(lái)保持產(chǎn)量相對(duì)穩(wěn)定，而新投產(chǎn)能區(qū)塊，條件逐年變差，新井產(chǎn)能低、效益差，舉升設(shè)備和集輸加熱設(shè)備的能耗不斷增加[1]。目前，我廠某區(qū)塊現(xiàn)有抽油機(jī)井有3 537 口，占油田油氣生產(chǎn)總用電量的41.2%。

我廠使用的抽油機(jī)大多是常規(guī)游梁式抽油機(jī)，屬于帶負(fù)荷啟動(dòng)設(shè)備，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)所需的轉(zhuǎn)矩較小，而在啟動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩較大。因此，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)必須設(shè)計(jì)使用比穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)功率大的電動(dòng)機(jī)和大容量變壓器[2]。統(tǒng)計(jì)我廠某區(qū)塊2016 年1—10 月份測(cè)試的1 386 口抽油機(jī)井，單井日均產(chǎn)液量15.0 t，單井平均系統(tǒng)效率為16.83%，平均日耗電327.45 kWh。平均單井日耗電相比全廠高39.78 kWh，平均單井噸液耗電比全廠高12.61 kWh/t，抽油機(jī)平均負(fù)載率不足30%。針對(duì)電能消耗大這一問(wèn)題，考慮在抽油機(jī)上使用節(jié)能電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)裝置，例如永磁同步電動(dòng)機(jī)、雙速電動(dòng)機(jī)、低速電動(dòng)機(jī)等，來(lái)解決抽油機(jī)的啟動(dòng)問(wèn)題，降低電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行能耗。

2 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行機(jī)理分析

根據(jù)抽油機(jī)的負(fù)載特性，使用的節(jié)能電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有負(fù)載輕時(shí)效率和功率因數(shù)越高，啟動(dòng)力矩大，過(guò)載能力強(qiáng)等特性，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井運(yùn)行負(fù)載與電動(dòng)機(jī)輸出負(fù)載間的合理匹配。

2.1 電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性

電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性分為硬特性和軟特性兩種。硬特性是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩在允許范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化很小，同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是一條直線，其轉(zhuǎn)速不隨轉(zhuǎn)矩的變化而變化，典型的如永磁同步電動(dòng)機(jī)；軟特性是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的變化下降很快，機(jī)械特性的斜率較大，但其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻較大，如高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)[3]。

2.2 電動(dòng)機(jī)工作原理

當(dāng)電動(dòng)機(jī)接通三相電源時(shí)，三相交流電通入定子繞組后，便形成了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力線被轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有電流流過(guò)，使導(dǎo)體受電磁力作用形成電磁轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)轉(zhuǎn)子以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，并從軸上輸出一定大小的機(jī)械功率[3]。

2.3 電動(dòng)機(jī)節(jié)能原理

如果電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在額定負(fù)荷或額定負(fù)荷附近，則電動(dòng)機(jī)屬于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率取決于電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 12497—1995 規(guī)定，Y 系列（IP44）37 kW 的6 極電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率應(yīng)大于0.40；22 kW 的6 極電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率應(yīng)大于0.46，此時(shí)電動(dòng)機(jī)為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。對(duì)于不同功率的Y系列電動(dòng)機(jī)，效率下降點(diǎn)也不同。一般情況下，效率和功率因數(shù)隨負(fù)荷率變化的曲線（圖1）。把效率將要快速下降點(diǎn)a 所對(duì)應(yīng)的負(fù)荷率稱為臨界負(fù)荷率βa。當(dāng)負(fù)荷率β 大于βa時(shí)，效率的變化不大，這是由于電動(dòng)機(jī)的可變損耗和不變損耗的對(duì)比關(guān)系所決定的。當(dāng)負(fù)荷率β 小于0.7 時(shí)，功率因數(shù)下降很快。功率因數(shù)低不但使電動(dòng)機(jī)本身能耗有所增加，而且給電網(wǎng)造成了附加損耗，降低了電網(wǎng)容量和變壓器設(shè)備的利用率。對(duì)于一般負(fù)荷（如風(fēng)機(jī)、水泵），節(jié)能的關(guān)鍵是提高負(fù)荷率。如果將負(fù)荷率提高0.70 以上，而0.80 可以說(shuō)是最佳運(yùn)行狀態(tài)，沒(méi)有必要提高到1。一般工作在0.70 以上，功率因數(shù)比較高[4]。

圖1 功率因數(shù)、效率和負(fù)荷率的變化曲線

3 節(jié)能電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)及適應(yīng)性

3.1 節(jié)能電動(dòng)機(jī)應(yīng)用特點(diǎn)

3.1.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用特點(diǎn)

永磁同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)方面相似，只是在轉(zhuǎn)子鼠籠條內(nèi)嵌入稀土永磁鋼，改變了原來(lái)定子勵(lì)磁為轉(zhuǎn)子稀土永磁鋼勵(lì)磁的方式，變異步電動(dòng)機(jī)為同步電動(dòng)機(jī)。其特點(diǎn)是提高了低負(fù)荷區(qū)的電動(dòng)機(jī)效率，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，運(yùn)行電流小，功率因數(shù)高。不足之處在于同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性較硬，在重載井或沖速高的井上應(yīng)用，啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)易出現(xiàn)振動(dòng)。因此，永磁同步電動(dòng)機(jī)需要安裝在供電線路壓降小，電壓穩(wěn)定的井上，否則啟動(dòng)困難。同時(shí)永磁同步電動(dòng)機(jī)的制造成本較高，損壞后維修困難，并容易出現(xiàn)退磁的現(xiàn)象。

3.1.2 雙速電動(dòng)機(jī)應(yīng)用特點(diǎn)

雙速電動(dòng)機(jī)屬于異步電動(dòng)機(jī)變極調(diào)速，它是通過(guò)改變定子繞組的連接方法達(dá)到改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁極對(duì)數(shù)，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。其特點(diǎn)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，且運(yùn)行時(shí)有兩個(gè)檔位，可以在不更換皮帶輪的情況下調(diào)沖速。不足之處在于此種電動(dòng)機(jī)的調(diào)速是有極的，不能平滑調(diào)速，而且只適用于鼠籠式電動(dòng)機(jī)，調(diào)速時(shí)需手動(dòng)變換檔位調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)控制沖速。

3.1.3 低速電動(dòng)機(jī)應(yīng)用特點(diǎn)

低速電動(dòng)機(jī)是在頻率f 不變的情況下，改變異步電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)P ，這樣可以改變其同步轉(zhuǎn)速n（n=60f/P），從而使電動(dòng)機(jī)在某一負(fù)荷下的穩(wěn)定速度發(fā)生變化，達(dá)到調(diào)整抽汲速度的目的。低速電動(dòng)機(jī)是通過(guò)降低抽油機(jī)沖速達(dá)到節(jié)能的目的，其特點(diǎn)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，可降低電動(dòng)機(jī)機(jī)座型號(hào)進(jìn)行應(yīng)用[5]。其不足之處是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不可調(diào)，運(yùn)行功率因數(shù)較低。

3.2 節(jié)能電動(dòng)機(jī)應(yīng)用效益分析

3.2.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用效益

2017 年，對(duì)應(yīng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)的58 口井進(jìn)行對(duì)比分析，這部分井高產(chǎn)、高含水，平均運(yùn)行參數(shù)2.5 m/3.2 次，泵深在800～1 000 m，應(yīng)用后，在油井生產(chǎn)參數(shù)不變的情況下，電動(dòng)機(jī)平均啟動(dòng)電流下降50%以上，平均功率因數(shù)提高到了0.42，平均單井日節(jié)電36.67 kWh，綜合節(jié)電率為18.09%（表1），58 口井年可節(jié)電63.81×104kWh（年節(jié)電有效期均按300 天計(jì)算）。

3.2.2 雙速電動(dòng)機(jī)應(yīng)用效益

2017 年，對(duì)應(yīng)用雙速電動(dòng)機(jī)的55 口井進(jìn)行對(duì)比分析，這部分井產(chǎn)量在10～15 t，泵深均大于1 200 m。跟蹤測(cè)試55 口井，平均單井日節(jié)電30.65 kWh，綜合節(jié)電率14.79%（表2），55 口井年可節(jié)電50.57×104kWh。

3.2.3 低速電動(dòng)機(jī)應(yīng)用效益

2016 年，對(duì)應(yīng)用低速電動(dòng)機(jī)的33 口井進(jìn)行對(duì)比分析，這部分井產(chǎn)量低、系統(tǒng)效率低、運(yùn)行參數(shù)高，跟蹤測(cè)試33 口井，平均單井日節(jié)電21.6 kWh，綜合節(jié)電率10.02% （表3），33 口井年可節(jié)電21.38×104kWh。

以上3 種節(jié)能電動(dòng)機(jī)的使用有效期均按8 年計(jì)算，永磁電動(dòng)機(jī)投入費(fèi)用居中，節(jié)能效果最好，投資回收期最短；雙速電動(dòng)機(jī)投入費(fèi)用最高，投資回收期最長(zhǎng)（表4）。

表1 采用永磁同步電動(dòng)機(jī)前后效果對(duì)比

表2 采用雙速電動(dòng)機(jī)前后效果對(duì)比

表3 采用低速電動(dòng)機(jī)前后效果對(duì)比

表4 節(jié)能電動(dòng)機(jī)效益評(píng)價(jià)

3.3 節(jié)能電動(dòng)機(jī)適應(yīng)性探討

選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，在兼顧性價(jià)比的前提下，應(yīng)對(duì)抽油機(jī)井實(shí)際工況進(jìn)行分析，從電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能、過(guò)載能力、節(jié)電效果等幾個(gè)方面進(jìn)行比較后，做出較為合理的選擇。

3.3.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)適應(yīng)性

該電動(dòng)機(jī)的特性較硬，除對(duì)重載井有一定的不適應(yīng)性外，適用范圍較廣，節(jié)能效果明顯，可在老區(qū)改造和新開(kāi)發(fā)區(qū)塊上大面積進(jìn)行應(yīng)用。從油井工況方面考慮，對(duì)于高含水、泵掛在1 000 m 以內(nèi)，沖速不高于4 次，抽油桿彈性變形不是很大的井上應(yīng)用，節(jié)電效果能達(dá)到15%以上。對(duì)于啟動(dòng)困難的井，可以采用軟啟動(dòng)裝置與永磁同步電動(dòng)機(jī)配合使用，節(jié)電效果明顯，但是增大了投資成本[6]。

3.3.2 雙速電動(dòng)機(jī)適應(yīng)性

適應(yīng)于供排關(guān)系不穩(wěn)定、產(chǎn)量波動(dòng)范圍較大的抽油機(jī)井。因該電動(dòng)機(jī)具有7%的轉(zhuǎn)差率和2 倍的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，有利于抽油機(jī)在啟動(dòng)和發(fā)生砂卡、蠟卡時(shí)減少減速箱和抽油桿所受的沖擊載荷，因此，該電動(dòng)機(jī)適合在含蠟高的抽油機(jī)井上使用。實(shí)際應(yīng)用表明，雙速電動(dòng)機(jī)適合應(yīng)用在產(chǎn)量在10～15 t、井深大于1 200 m 的抽油機(jī)井上。

3.3.3 低速電動(dòng)機(jī)適應(yīng)性

適用于系統(tǒng)效率低、機(jī)采運(yùn)行參數(shù)大、供采不合理、載荷較大的抽油機(jī)井上。該電動(dòng)機(jī)是通過(guò)降低抽汲頻率來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的，電動(dòng)機(jī)仍為普通電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也不可調(diào)，所以在油井參數(shù)比較穩(wěn)定的老抽油機(jī)上進(jìn)行低速電動(dòng)機(jī)改造是比較經(jīng)濟(jì)的。

4 結(jié)論

1） 永磁同步電動(dòng)機(jī)無(wú)勵(lì)磁損耗，功率因數(shù)高，應(yīng)用范圍大，比較適用功率因數(shù)低、裝機(jī)功率大、產(chǎn)量偏高、井深低于1 000 m，啟動(dòng)與運(yùn)行電流平穩(wěn)的抽油機(jī)井。

2）雙速電動(dòng)機(jī)適用于產(chǎn)量低、泵深大，啟動(dòng)與運(yùn)行電流跳躍變化大，抽油機(jī)井啟動(dòng)困難的抽油機(jī)井。

3） 對(duì)于產(chǎn)液量及系統(tǒng)效率較低的抽油機(jī)井，建議以應(yīng)用低速電動(dòng)機(jī)為主。