降壓軟啟動(dòng)技術(shù)在抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)合理匹配中的應(yīng)用

陸士忠（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

大慶油田進(jìn)入高含水后期開發(fā)階段，油田產(chǎn)能新區(qū)塊建設(shè)不斷加大，老區(qū)調(diào)整井?dāng)?shù)量不斷增加，因此機(jī)采井用電量占比也不斷加大。油田抽油機(jī)井在用的電動(dòng)機(jī)主要是常規(guī)Y 系列異步電動(dòng)機(jī)。由于抽油機(jī)懸點(diǎn)作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，負(fù)載變化差異很大，加之重載啟動(dòng)，為確?？煽康膯?dòng)和正常運(yùn)行，所配的電動(dòng)機(jī)額定功率都比運(yùn)行時(shí)的平均功率大。因此，除運(yùn)行負(fù)載峰值較大外，大部分時(shí)間電動(dòng)機(jī)都處于輕載運(yùn)行，運(yùn)行效率低，功率因數(shù)低，電動(dòng)機(jī)能耗損失大[1]。

1 降壓軟啟控制技術(shù)

為保證抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)在零點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)力矩足夠大，又不對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生太大的沖擊，可采用電動(dòng)機(jī)Y—Δ 轉(zhuǎn)換降壓軟啟動(dòng)、自藕變壓器降壓?jiǎn)?dòng)或可控硅軟啟動(dòng)等技術(shù)。不同啟動(dòng)方式下電動(dòng)機(jī)扭矩與轉(zhuǎn)速變化關(guān)系[2]見圖1。

電動(dòng)機(jī)Y—Δ 轉(zhuǎn)換降壓軟啟動(dòng)方法是：電動(dòng)機(jī)先由星形接法啟動(dòng)后，再自動(dòng)改接為三角形接法——全壓正常運(yùn)轉(zhuǎn)。軟啟動(dòng)時(shí)緩慢的啟動(dòng)過程可大大降低電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，使啟動(dòng)更加平穩(wěn)；同時(shí)可消除電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)機(jī)械硬特性帶來的沖擊載荷，延長了電動(dòng)機(jī)及抽油機(jī)機(jī)組及桿、管的使用壽命[3]。

圖1 不同啟動(dòng)方式下扭矩與轉(zhuǎn)速變化關(guān)系曲線

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

降壓軟啟控制技術(shù)適用于電動(dòng)機(jī)定子繞組采用Δ接法的抽油機(jī)井。通過電動(dòng)機(jī)定子接頭轉(zhuǎn)換，啟動(dòng)時(shí)采用星形接法，啟動(dòng)運(yùn)行后再切換到Δ接法，將常規(guī)380 V 啟動(dòng)電壓降為220 V 啟動(dòng)電壓，運(yùn)行時(shí)瞬時(shí)投切回380 V。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井原電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率為75 kW，直接啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流為609 A（圖2）。匹配的裝機(jī)功率可由下式[3]求得：

式中：Pd——裝機(jī)功率，kW；

CLF——曲柄軸上周期載荷系數(shù)；

E——實(shí)際平均效率，%；

Pr——懸點(diǎn)光桿功率，kW；

η——從電動(dòng)機(jī)軸到懸繩器的平均效率，%。

圖2 75 kW 電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)電流曲線

現(xiàn)場(chǎng)分別試驗(yàn)55、37 kW 電動(dòng)機(jī)，采用Y—Δ轉(zhuǎn)換降壓軟啟動(dòng)的方法測(cè)試了直接啟動(dòng)與軟啟動(dòng)狀態(tài)下的啟動(dòng)電流（圖3～圖5）?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，Y—Δ 轉(zhuǎn)換降壓軟啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)逐步加速運(yùn)轉(zhuǎn)，啟動(dòng)平穩(wěn)。經(jīng)測(cè)試，啟動(dòng)電流峰值由371 A 降到311 A，下降了16%，電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)之硬特性帶來的沖擊載荷大大降低，消除了對(duì)抽油機(jī)的不利影響，達(dá)到了平穩(wěn)軟啟的目的。

軟啟動(dòng)與直接啟動(dòng)的差別在于其扭矩與轉(zhuǎn)速特性。啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩均從零呈勻加速狀態(tài)遞增，達(dá)到最大值后扭矩開始下降，直到電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。由圖5 可知，軟啟動(dòng)的最大扭矩值明顯小于直接啟動(dòng)的最大扭矩值。

圖3 55 kW 電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)電流曲線

圖4 37 kW 電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)電流曲線

圖5 37 kW 電動(dòng)機(jī)Y—Δ 軟啟動(dòng)電流曲線

試驗(yàn)還表明，只有當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電壓降低程度大于轉(zhuǎn)差率以及功率因數(shù)上升的程度時(shí)，才能提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)電的目的。因此，根據(jù)電動(dòng)機(jī)效率隨電壓變化的關(guān)系，對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)輸出功率（或負(fù)載系數(shù)），必然存在一個(gè)最佳調(diào)壓系數(shù)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)調(diào)壓系數(shù)達(dá)到此值時(shí)，電動(dòng)機(jī)的無功損耗最低，效率最高[4]。不同負(fù)載條件下最佳的電壓調(diào)節(jié)系數(shù)可按下式[5]確定：

式中：Kum——電動(dòng)機(jī)的最佳電壓調(diào)節(jié)系數(shù)；

PN——電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的有功損耗，kW；

PO——電動(dòng)機(jī)的空載損耗，kW；

k——計(jì)算系數(shù)；

β——電動(dòng)機(jī)的負(fù)載系數(shù)。

3 技術(shù)適應(yīng)性評(píng)價(jià)

通過降壓軟啟動(dòng)方法進(jìn)行電動(dòng)機(jī)合理匹配，其優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)方式簡(jiǎn)單高效，啟動(dòng)過程中電量消耗少，由于啟動(dòng)電壓為運(yùn)行電壓的，故其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1/3。當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率小于1/3時(shí)，也可利用該啟動(dòng)方法作降壓運(yùn)行，可以大幅提高電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和運(yùn)行效率。因此，該方法適合目前油田老區(qū)調(diào)整加密井及過渡帶區(qū)塊的低載荷抽油機(jī)井。

需要注意的是，過低負(fù)載率會(huì)影響電動(dòng)機(jī)效率的提升。從電動(dòng)機(jī)效率變化可知，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率低于20%時(shí)，應(yīng)該重新匹配電動(dòng)機(jī)的合理裝機(jī)功率大小[6]。

4 認(rèn)識(shí)及結(jié)論

1）應(yīng)用降壓軟啟動(dòng)技術(shù)可以大幅度降低抽油機(jī)靜載啟動(dòng)時(shí)的最大扭矩值，從而降低電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)功率。同時(shí)，通過降低電動(dòng)機(jī)輸出扭矩的峰值也能起到節(jié)能作用，提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率和功率因數(shù)。

2）對(duì)于過渡帶及加密區(qū)塊的抽油機(jī)井，應(yīng)用降壓軟啟動(dòng)控制技術(shù)可以有效降低電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)峰值電流，從而消除電動(dòng)機(jī)直接硬啟動(dòng)時(shí)沖擊載荷對(duì)抽油機(jī)的不利影響，確保設(shè)備安全運(yùn)行，延長抽油機(jī)的使用壽命，同時(shí)減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，降低線路損耗。

3）由于軟啟動(dòng)達(dá)到全壓運(yùn)行時(shí)和直接啟動(dòng)時(shí)的電壓相同，因此，提高電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的效果有限，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中需結(jié)合抽油機(jī)井實(shí)際負(fù)載率合理匹配電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率。