電動機星角變換技術的抽油機應用研究

霍崇慶（大慶油田技術監督中心）

抽油機是油田的耗能大戶，其用電量約占油田總用電量的40%，占油田總用電量的比例非常高，且總體效率僅在30%左右，效率很低[1]。石油企業面臨十分嚴峻的國際國內的復雜形勢，經濟效益不是非常的理想的情況下，要改變現狀，就必須在降本增效、提高經濟效益上下功夫[2-3]。在技術方面需要找到低成本的方案。而星角變換技術就是一種極低成本的節能技術。

通過對現場工況的統計調查和實驗室對標準抽油機井星角兩種不同接線方式進行試驗，來研究該技術的適應條件及節能效果。其中試驗電動機型號為Y280S-8，功率為37kW；標準抽油機井型號為CYJ10-3-37HB。

1 原理及技術特點

星角變換技術屬于降壓節能技術的一種，其節電原理是當電動機負載遠小于額定負載時，通過手動改變接線方式或星角轉換控制箱（手動或自動）將電動機運行模式由三角形接法改變為星形接法。由于加在電動機繞組上的相電壓由380V降至220V，電動機鐵損下降，達到節能的目的。降低電動機端電壓的同時，可提高電動機負載率[4]，進而提高電動機的效率及功率因數[5]。

電動機帶載能力的變化是應用中要考慮的一個重要問題，由于電動機的力矩與電壓的平方成正比，力矩也會大幅度下降[6]，僅為原來的三分之一。假設使用37kW的電動機，星接后可以帶動12.3kW的負載，又由于異步電動機有20%的短期超載能力，因此電動機最大可以拖動14.8kW的抽油機負載。

而在經濟投資方面，如果采用手動改變接線方式則不需要增加任何設備投資。而使用控制箱因為技術簡單也僅需少量投資。對于后期，也不需要過多維護而產生費用。

2 抽油機現場負載情況分析

根據油田的實際情況，油田在選配電動機時為了啟動順利，一般按最大扭矩選配電動機[7]，而且井況也會發生一定變化，因此不可避免的造成一部分井平均負載率過低。

某油田441口37kW的現場運行抽油機井負統計見表1，可見負載率低于15%的抽油機占34.92%。

表1 現場抽油機井負載統計

3 實驗室研究

在實驗室進行穩定負載率加載下的角接與星接對比試驗，試驗電動機采用普通異步電動機，型號為Y280S-8，功率為37kW。

3.1 效率對比

通過在不同負載率下進行對比測試，得出穩定負載條件下星接與角接的電動機效率，效率對比見圖1。可見該電動機在負載率46.9%以下星接效率高于角接效率，負載率越低，效率差距越大。角接情況下負載率在30%以上效率較高，當負載率低于30%下降較快。而星接情況下，在10%負載以上效率很高。

圖1 效率對比

3.2 功率因數對比

功率因數可以反應出無功功率的大小，它的高低影響線路及變壓器的損耗。有功相同的情況下，功率因數越低，電流越小，線路及變壓器損耗越低[8]。實驗室穩定負載條件下星接與角接不同負載率下的功率因數對比見圖2。星接條件下的電動機功率因數高于角接。在負載率29.7%穩定負載條件下，電流下降19.7A，無功功率下降16.4kvar。可見對于低負載情況，電動機改為星接，不僅可以在電動機本身節電，也可以降低電流，在線路及變壓器端節電。

圖2 功率因數對比

4 標準抽油機井研究

4.1 星接轉換負載點研究

某采油廠對電動機負載率低于20%，而且生產運行平穩的油井進行電動機角星轉換[9]，但該種方法是否科學需要進行驗證。

抽油機是一種特殊的變動負載[10-11]，運行過程中負載會發生周期性變化。因此知道平均負載并不能了解最大負載，為了了解其中的關系，在標準抽油機井進行了負載試驗。標準電動機（37kW）負載率15%、20%的功率曲線見圖3、圖4。

圖3 負載率15%功率曲線

圖4 負載率20%功率曲線

可見15%平均負載率情況下最大功率達到12kW，電動機調整為星接完全可拖動負載。即使負荷向上有20%的波動短期也可以正常運行。而20%平均負載情況最大功率達18kW，還應使用角接。綜上結論并考慮油井的負載波動，選取負載率低于15%的抽油機井進行星接改造比較穩妥。

4.2 節電率研究

為了實際測試低負載情況下星接方式的節電情況，在標準井進行測試，角接平均負載率為15%，節能對比見表2。可見在抽油機的實際運行中，采用星角變換技術節能效果顯著，綜合節能率可以達到10%左右。按照實際耗電功率5.5kW，年運行300天計算，改造單臺抽油機年可節電3960kWh，按照價格0.625元/kWh進行計算，折合人民幣2475元。

表2 節能對比

5 結論

1）星角變換技術適用于平均負載率小于15%的抽油機井，符合調整的抽油機比例大，達35%左右。

2）在低負載條件下，將電動機接線方式改為星接，不僅可以節約有功，而且可以提高功率因數。

3）星角變換技術對符合調整接線方式的抽油機井效果明顯，標準井測試綜合節電率為10%左右，經估算單臺年可節約電費2475元。

4）星角變換技術簡單，投資小或不增加投資，后期維護也簡單，不需要過多費用。