塔河油田抽油機節能電機選型研究

汪洋 馬述儉 何小龍 劉恒峰 彭振華

摘 要為提高油井節能電機選型匹配工作的合理性及科學性，有效提高機采系統運行效率、降低能源消耗，對目前國內油田抽油機應用較為廣泛的4種節能電機進行了對比性能測試。通過對節能電機機理及特性的研究和油井試驗結果的對比分析，研究總結出各種節能電機各自的適用范圍，并運用研究成果編制出塔河油田油井節能電機選型原則及選配方法。

關鍵詞抽油機;節能電機;性能測試;選型

機械采油系統是油田主要生產系統，裝機規模龐大，是用電大戶也是油田節能改造的重點，電機是機采系統的核心耗能節點，也是機采系統節能潛力關鍵點。據統計：油田生產成本的1/3為電能消耗，目前我國抽油機電動機的總裝機容量在3500MW以上，年耗電超過100億kW·h，而且電機普遍負載率小、效率低[1]。

當前機械采油系統配套電機的使用存在三個主要問題：

（1）油井配套使用的電機種類繁雜，性能指標參差不齊;

（2）淘汰電機仍在使用，能源浪費嚴重;

（3）油井工況復雜多樣，電機選配無據可依。

針對以上問題，為減少高耗能電機的電耗，提高油井節能電機選型匹配工作的合理性及科學性，有效提高機采系統運行效率、降低能源消耗，塔河油田對目前國內油田比較有代表性的4種節能電機進行了性能對比測試。通過對電機節能機理及特性的研究和油井試驗結果的對比分析，研究總結出不同節能電機的適用范圍，提出塔河油田節能電機選配方案。

1 塔河油田抽油機負載特點分析

抽油機在工作中，受砂卡、臘卡、黏滯、氣體、振動、漏失等因素影響，負載呈現為一種帶有沖擊性的周期交變負載，在一個周期內波動大，起動轉矩大，一般呈不規則曲線，而平衡扭矩曲線根據其特性一般呈規則正弦曲線，因此很難做到與載荷曲線一一對應，這就造成了曲柄軸凈扭矩曲線的不規則性和較大的波動性。由于抽油機負載波動很大，在抽油機的正常運轉中會出現抽油機的運轉速度大于電機對它的驅動速度的情況，這時就會出現負扭矩，當減速器凈扭矩曲線進入負值區間時，抽油機開始拖動電機進入發電制動狀態。倒發電現象一是會造成能源浪費;二是會對電網產生污染，對電機正常運轉產生影響，損壞電機[2]。

鑒于抽油機負載的特殊性，為保證采油生產的順利進行，抽油機電機的選配一般是以最大扭矩為參考值，將額定功率選得很大，以應對大的啟動轉矩和運行中的負荷波動，但是抽油機實際正常工作時的平均轉矩一般不超過最大轉矩的 1/3，造成浪費。

2 國內油田抽油機在用典型節能電機性能特點

從國內各大油田的使用情況來看，目前在用的節能電機主要有YE3（YX3）系列高效電機、永磁同步電動機、開關磁阻電機、高（超高）轉差電機等幾類。

a）YE3（YX3）系列高效電機

高效電機是通過從設計、材料和工藝上采取措施提高運行效率，例如采用合理的定子、轉子槽數、風扇參數和正弦繞組等措施降低損耗，效率可提高2%-8%，兼具效率高、壽命長等特點，可全面替換普通三相異步電機。

b）YEG3超高效、高轉矩電機

該電機是在YE3系列電機基礎上研發的新型抽油機用電機，具有高效率、高啟動轉矩和較軟的機械特性，用于轉動慣量大、有不均勻沖擊載荷的機械設備。

c）開關磁阻電機（系統）

開關磁阻電機（系統）主要由開關磁阻電機與微機智能控制器兩部分組成，是一種新型調速電機驅動系統。該調速系統具有效率高、功耗小、啟動轉矩大、啟動電流小、功率因數高、機械特性較軟等特點。不足之處是低速時轉矩脈動大，高速重載時振動和噪聲大[2]。

d）高（超高）轉差率電機

高轉差率電動機是通過改變轉子槽形和導條材料提高電機轉差率，增加轉子電阻，從而使之具有堵轉轉矩較大，堵轉電流較小，轉差率較高和機械特性軟等特點。適合于傳動飛輪轉矩較大和不均勻沖擊負載的工作場合，目前主要應用于油田的抽油機系統。

e）永磁同步電動機

永磁同步電動機轉子損耗比普通異步電機小得多，其效率和功率因數都優于一般異步電機，在（25%～120%）額定負載范圍內均可保持較高的效率和功率因數。缺點是釹鐵硼材料本身的居里點只在120～130℃，一旦電機燒毀就會失磁;此外該電機機械特性較硬，且外轉子級數已定，不能適用調參的需要實行變極調速。

3 抽油機工況下節能電機性能測試與分析

2019年3月27日至4月21日，在塔河油田采油一廠一區和二區選取了7口生產井作為試驗井，采取同井同工況對比測試的方式，對安裝在14型抽油機上的高轉差、開關磁阻、超高效、永磁電機以及抽油機原配電機能耗情況進行了監測評價。

3.1 測試依據標準

（1）SY/T5264—2006《油田生產系統能耗測試和計算方法》

（2）SY/T6275—2007《油田生產系統節能監測規范》。

3.2 測試方法

（1）采取同井同工況對比測試的方式，每種電機安裝運行3天后測試各項參數及耗電量。

（2）每種電機測試數據不少于3組，每組數據測試時間不少于5分鐘。

3.3 選井原則

（1）選擇7口安裝14型抽油機的油井作為測試井，沖程、沖次一致。

（2）綜合考慮油質的稀稠、含水的高低、泵掛的深淺、泵徑的大小、液面的高低、載荷的大小、產液量的高低以及油壓和套壓的大小等因素。

（3）為保證測試數據的可比性，摻稀井不在選擇范圍之內。

3.4 對比測試結果

可以看出，4種節能電機相對普通電機均有一定的節能效果，其中，高轉差電機和開關磁阻電機系統系統效率提升和百米噸液耗電下降較為明顯，具有顯著的節能效果，綜合性能表現突出，更適合塔河油田井況和采油工況。

4 油井節能電機選型原則及選配方法

通過對節能電機機理及特性的研究和油井試驗對比分析，可以得到如下的選型原則和選配方法。

4.1 電機選型原則

（1）電機選型遵循性能可靠、適度先進的原則，符合《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》2級能效標準要求，避免近期淘汰落后風險。

（2）電機選型要結合相關歷史資料、使用情況等綜合考慮。在滿足機械負載要求的前提下，經濟合理地確定電機的類型和額定功率，所選電動機與被拖動機械負載的特性相匹配。

（3）電動機的堵轉轉矩、最大轉矩、最小轉矩、轉速及其調節范圍等，應滿足電動機所拖動的負載在各種運行方式下的要求。

（4）選擇運行效率高，功率因數高，現場驗證節電效果好的電機。

4.2 電機選配方法

電機選型要在滿足機械負載要求的前提下，經濟合理地確定電動機的類型和額定功率，所選電動機與被拖動機械負載的特性相匹配。

針對塔河油田油藏多為深井、油稠等特點，配套電機應具備啟動轉矩大、機械特性較軟、過載能力強等特點，以更好地適應塔河油田抽油機負載特性。

抽油機電機更新原則上以高轉差電機和開關磁阻電機為主，并且要結合油井井況和在用電機情況等綜合考慮。在大泵徑、高密度原油井況下，優先選用高轉差電機;在中小泵徑、中低密度原油井況下，優先選用開關磁阻電機。

5 結束語

通過理論分析和現場對比測試，確定了塔河油田節能電機選型原則和選配方法，可用以規范和指導該油田抽油機用電機的選型，為今后塔河油田的節能電機替換和新抽油機節能電機配套提供依據。

參考文獻

[1]馮子明，張金東，顧慧彬，王麗麗.抽油機用電動機節電特性試驗研究[J].石油機械，2013，42（07）：55-58.

[2]洪微微.游梁式抽油機倒發電危害機理及治理方法研究[J].石油石化節能，2018，08（06）：14-16.

[3]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（04）：70-72.