某區(qū)塊抽油機井應用節(jié)能電動機適應性研究

張寶玉 謝芳（大慶油田有限責任公司第七采油廠）

1 現(xiàn)狀

目前，油田逐步進入中、高含水期，老井含水不斷上升，通過不斷采取措施提升產(chǎn)液來保持產(chǎn)量相對穩(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，舉升設備和集輸加熱設備的能耗不斷增加[1]。目前，我廠某區(qū)塊現(xiàn)有抽油機井有3 537 口，占油田油氣生產(chǎn)總用電量的41.2%。

我廠使用的抽油機大多是常規(guī)游梁式抽油機，屬于帶負荷啟動設備，穩(wěn)定運轉所需的轉矩較小，而在啟動時所需轉矩較大。因此，在實際生產(chǎn)時必須設計使用比穩(wěn)定運轉功率大的電動機和大容量變壓器[2]。統(tǒng)計我廠某區(qū)塊2016 年1—10 月份測試的1 386 口抽油機井，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，抽油機平均負載率不足30%。針對電能消耗大這一問題，考慮在抽油機上使用節(jié)能電動機拖動裝置，例如永磁同步電動機、雙速電動機、低速電動機等，來解決抽油機的啟動問題，降低電動機的運行能耗。

2 電動機運行機理分析

根據(jù)抽油機的負載特性，使用的節(jié)能電動機應具有負載輕時效率和功率因數(shù)越高，啟動力矩大，過載能力強等特性，實現(xiàn)抽油機井運行負載與電動機輸出負載間的合理匹配。

2.1 電動機機械特性

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

2.2 電動機工作原理

當電動機接通三相電源時，三相交流電通入定子繞組后，便形成了一個旋轉磁場，旋轉磁場的磁力線被轉子導體切割，根據(jù)電磁感應原理，轉子導體產(chǎn)生感應電動勢。轉子繞組是閉合的，則轉子導體有電流流過，使導體受電磁力作用形成電磁轉矩，推動轉子以一定的轉速旋轉，并從軸上輸出一定大小的機械功率[3]。

2.3 電動機節(jié)能原理

如果電動機運行在額定負荷或額定負荷附近，則電動機屬于經(jīng)濟運行。電動機運行效率取決于電動機負荷率，國家標準GB 12497—1995 規(guī)定，Y 系列（IP44）37 kW 的6 極電動機的負荷率應大于0.40；22 kW 的6 極電動機的負荷率應大于0.46，此時電動機為經(jīng)濟運行。對于不同功率的Y系列電動機，效率下降點也不同。一般情況下，效率和功率因數(shù)隨負荷率變化的曲線（圖1）。把效率將要快速下降點a 所對應的負荷率稱為臨界負荷率βa。當負荷率β 大于βa時，效率的變化不大，這是由于電動機的可變損耗和不變損耗的對比關系所決定的。當負荷率β 小于0.7 時，功率因數(shù)下降很快。功率因數(shù)低不但使電動機本身能耗有所增加，而且給電網(wǎng)造成了附加損耗，降低了電網(wǎng)容量和變壓器設備的利用率。對于一般負荷（如風機、水泵），節(jié)能的關鍵是提高負荷率。如果將負荷率提高0.70 以上，而0.80 可以說是最佳運行狀態(tài)，沒有必要提高到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)、效率和負荷率的變化曲線

3 節(jié)能電動機的應用特點及適應性

3.1 節(jié)能電動機應用特點

3.1.1 永磁同步電動機應用特點

永磁同步電動機與異步電動機在結構方面相似，只是在轉子鼠籠條內嵌入稀土永磁鋼，改變了原來定子勵磁為轉子稀土永磁鋼勵磁的方式，變異步電動機為同步電動機。其特點是提高了低負荷區(qū)的電動機效率，啟動轉矩大，運行電流小，功率因數(shù)高。不足之處在于同步電動機的啟動特性較硬，在重載井或沖速高的井上應用，啟動時電動機易出現(xiàn)振動。因此，永磁同步電動機需要安裝在供電線路壓降小，電壓穩(wěn)定的井上，否則啟動困難。同時永磁同步電動機的制造成本較高，損壞后維修困難，并容易出現(xiàn)退磁的現(xiàn)象。

3.1.2 雙速電動機應用特點

雙速電動機屬于異步電動機變極調速，它是通過改變定子繞組的連接方法達到改變定子旋轉磁場磁極對數(shù)，從而改變電動機的轉速。其特點是啟動轉矩大，且運行時有兩個檔位，可以在不更換皮帶輪的情況下調沖速。不足之處在于此種電動機的調速是有極的，不能平滑調速，而且只適用于鼠籠式電動機，調速時需手動變換檔位調節(jié)轉速來控制沖速。

3.1.3 低速電動機應用特點

低速電動機是在頻率f 不變的情況下，改變異步電動機的磁極對數(shù)P ，這樣可以改變其同步轉速n（n=60f/P），從而使電動機在某一負荷下的穩(wěn)定速度發(fā)生變化，達到調整抽汲速度的目的。低速電動機是通過降低抽油機沖速達到節(jié)能的目的，其特點是啟動轉矩大，可降低電動機機座型號進行應用[5]。其不足之處是電動機的轉速不可調，運行功率因數(shù)較低。

3.2 節(jié)能電動機應用效益分析

3.2.1 永磁同步電動機應用效益

2017 年，對應用永磁同步電動機的58 口井進行對比分析，這部分井高產(chǎn)、高含水，平均運行參數(shù)2.5 m/3.2 次，泵深在800～1 000 m，應用后，在油井生產(chǎn)參數(shù)不變的情況下，電動機平均啟動電流下降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 天計算）。

3.2.2 雙速電動機應用效益

2017 年，對應用雙速電動機的55 口井進行對比分析，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 低速電動機應用效益

2016 年，對應用低速電動機的33 口井進行對比分析，這部分井產(chǎn)量低、系統(tǒng)效率低、運行參數(shù)高，跟蹤測試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)能電動機的使用有效期均按8 年計算，永磁電動機投入費用居中，節(jié)能效果最好，投資回收期最短；雙速電動機投入費用最高，投資回收期最長（表4）。

表1 采用永磁同步電動機前后效果對比

表2 采用雙速電動機前后效果對比

表3 采用低速電動機前后效果對比

表4 節(jié)能電動機效益評價

3.3 節(jié)能電動機適應性探討

選擇電動機時，在兼顧性價比的前提下，應對抽油機井實際工況進行分析，從電動機的啟動性能、過載能力、節(jié)電效果等幾個方面進行比較后，做出較為合理的選擇。

3.3.1 永磁同步電動機適應性

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

3.3.2 雙速電動機適應性

適應于供排關系不穩(wěn)定、產(chǎn)量波動范圍較大的抽油機井。因該電動機具有7%的轉差率和2 倍的堵轉轉矩，有利于抽油機在啟動和發(fā)生砂卡、蠟卡時減少減速箱和抽油桿所受的沖擊載荷，因此，該電動機適合在含蠟高的抽油機井上使用。實際應用表明，雙速電動機適合應用在產(chǎn)量在10～15 t、井深大于1 200 m 的抽油機井上。

3.3.3 低速電動機適應性

適用于系統(tǒng)效率低、機采運行參數(shù)大、供采不合理、載荷較大的抽油機井上。該電動機是通過降低抽汲頻率來達到節(jié)能的目的，電動機仍為普通電動機，電動機的轉速也不可調，所以在油井參數(shù)比較穩(wěn)定的老抽油機上進行低速電動機改造是比較經(jīng)濟的。

4 結論

1） 永磁同步電動機無勵磁損耗，功率因數(shù)高，應用范圍大，比較適用功率因數(shù)低、裝機功率大、產(chǎn)量偏高、井深低于1 000 m，啟動與運行電流平穩(wěn)的抽油機井。

2）雙速電動機適用于產(chǎn)量低、泵深大，啟動與運行電流跳躍變化大，抽油機井啟動困難的抽油機井。

3） 對于產(chǎn)液量及系統(tǒng)效率較低的抽油機井，建議以應用低速電動機為主。