永磁半直驅(qū)技術(shù)在T油田的應(yīng)用與認(rèn)識(shí)

金鑫（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

2017年，T油田在21口抽油機(jī)井上應(yīng)用了永磁半直驅(qū)同步拖動(dòng)裝置。該裝置主要應(yīng)用于能耗較高以及電動(dòng)機(jī)皮帶消耗量較大的機(jī)采井。永磁半直驅(qū)同步拖動(dòng)技術(shù)屬于新興技術(shù)，在大慶油田屬先導(dǎo)性試驗(yàn)應(yīng)用。目前應(yīng)用超過三年，現(xiàn)對(duì)其節(jié)能效果、適應(yīng)性、投資回收期等進(jìn)行分析、梳理、總結(jié)，為后續(xù)應(yīng)用提供有益借鑒。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

永磁半直驅(qū)同步拖動(dòng)裝置屬于拖動(dòng)控制一體化裝置，主要由永磁電動(dòng)機(jī)、控制柜組成[1]，永磁電動(dòng)機(jī)直接安裝于抽油機(jī)減速器輸入軸上并用固定裝置固定于抽油機(jī)減速箱一側(cè)。抽油機(jī)原控制柜、電動(dòng)機(jī)、皮帶被取消，改由永磁半直驅(qū)同步拖動(dòng)裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制。

永磁半直驅(qū)同步拖動(dòng)裝置工作原理：電網(wǎng)向其配套變頻控制柜供電，電控系統(tǒng)帶動(dòng)永磁電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，永磁電動(dòng)機(jī)軸帶動(dòng)抽油機(jī)減速器的輸入軸運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)減速箱運(yùn)轉(zhuǎn)，通過四連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)[2]。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與認(rèn)識(shí)

2.1 節(jié)能機(jī)理與效果

2.1.1 節(jié)能機(jī)理分析

永磁半直驅(qū)技術(shù)在設(shè)計(jì)上力求節(jié)能，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是取消皮帶傳動(dòng)，電動(dòng)機(jī)直接傳動(dòng)抽油機(jī)減速箱的輸入軸，傳動(dòng)效率高；二是電動(dòng)機(jī)采用永磁型，無需勵(lì)磁，消除無功，電能利用效率高；三是變頻控制，具備軟啟動(dòng)、功率隨動(dòng)功能，降低抽油機(jī)的啟動(dòng)能耗與運(yùn)行能耗。

理論研究表明，各種傳動(dòng)的效率不同。一般情況下，鏈條傳動(dòng)效率約為96%，皮帶傳動(dòng)效率約為91%，直接傳動(dòng)效率為99.5%以上[3]。相對(duì)于電動(dòng)機(jī)通過皮帶帶動(dòng)減速箱輸入軸的傳動(dòng)方式而言，永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)軸直接帶動(dòng)減速箱輸入軸的方式傳動(dòng)效率更高，高出約8.5%。意味著相同負(fù)載條件下，傳動(dòng)效率高的設(shè)備其消耗能量低。

永磁電動(dòng)機(jī)與普通異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行效率與功率因數(shù)上具有天然優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠錈o需勵(lì)磁即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)，而普通異步電動(dòng)機(jī)需要電網(wǎng)額外提供電功方可實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)[4]，存在電能損耗。通過效率曲線對(duì)比見圖1，功率因數(shù)曲線對(duì)比見圖2，可以看出，異步電動(dòng)機(jī)在負(fù)載率小于50%時(shí)，其運(yùn)行效率和功率因數(shù)大幅度下降，永磁電動(dòng)機(jī)在負(fù)載率25%~120%時(shí)，其運(yùn)行效率和功率因數(shù)均較高且變化不大（運(yùn)行效率＞90%，功率因數(shù)＞0.85），其輕負(fù)載、變負(fù)載、滿負(fù)載均有較好的節(jié)能效果[5]。

圖1 效率曲線對(duì)比

圖2 功率因數(shù)曲線對(duì)比

變頻技術(shù)目前已經(jīng)成為各種控制系統(tǒng)的標(biāo)配。永磁半直驅(qū)技術(shù)配備的變頻技術(shù)不僅具有改變供電頻率，而且具有改變電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)數(shù)、抽油機(jī)井沖次參數(shù)的功能，同時(shí)其將軟啟動(dòng)、功率隨動(dòng)等功能內(nèi)置于變頻系統(tǒng)內(nèi)部[6]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載的軟啟動(dòng)，以及運(yùn)行過程中依據(jù)負(fù)載變化控制電動(dòng)機(jī)功率隨動(dòng)，使系統(tǒng)從啟動(dòng)到運(yùn)行全過程均處于節(jié)能狀態(tài)運(yùn)行。

2.1.2 節(jié)能效果及效益

在機(jī)采井動(dòng)液面相對(duì)穩(wěn)定的前提下，對(duì)全部試驗(yàn)井進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，應(yīng)用永磁半直驅(qū)技術(shù)前后有功功率對(duì)比見表1，所有井有功功率均下降，最小降幅13.86%，最大降幅23.78%，平均降幅19.87%。應(yīng)用永磁半直驅(qū)技術(shù)前，21口試驗(yàn)井平均單井日耗電126.3 kWh，應(yīng)用后日耗電101.2 k Wh，平均日節(jié)電25.1 k Wh，年生產(chǎn)時(shí)率按350天計(jì)，則平均單井年節(jié)電可達(dá)0.88×104k Wh。電費(fèi)按0.637元/k Wh計(jì)算平均單井年可節(jié)電0.56萬元。

表1 應(yīng)用永磁半直驅(qū)技術(shù)前后有功功率對(duì)比

選取1口試驗(yàn)井應(yīng)用永磁半直驅(qū)技術(shù)前后能耗狀況對(duì)比分析。應(yīng)用永磁半直驅(qū)技術(shù)前，抽油機(jī)應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)為普通異步型，配電箱為變頻型。應(yīng)用永磁半直驅(qū)技術(shù)前后，試驗(yàn)井有功功率曲線形狀相似，從啟動(dòng)與運(yùn)行有功功率曲線見圖3。有功功率均從0開始逐漸上升，完全運(yùn)行后，在一定范圍內(nèi)波動(dòng)；不同點(diǎn)在于完全運(yùn)行狀態(tài)下，永磁半直驅(qū)技術(shù)較異步電動(dòng)機(jī)配備變頻技術(shù)的有功功率整體偏低。功率因數(shù)曲線對(duì)比見圖4，從曲線對(duì)比中可以看出，永磁半直驅(qū)技術(shù)的功率因數(shù)很高，基本沒有無功消耗，與普通異步電動(dòng)機(jī)的無功功率以熱量形式損耗掉相比，其從電網(wǎng)索取的電能更少[7]。以上說明，在相同負(fù)載條件下，永磁半直驅(qū)技術(shù)電能消耗更少，原因取決于其永磁電動(dòng)機(jī)與取消皮帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)有關(guān)。

圖3 啟動(dòng)與運(yùn)行有功功率曲線

圖4 功率因數(shù)曲線對(duì)比

2.2 舉升效率

現(xiàn)場(chǎng)選取5口井，對(duì)“普通異步電動(dòng)機(jī)+變頻控制柜”形式和永磁半直驅(qū)形式的兩種拖動(dòng)方式應(yīng)用于同一機(jī)采井后的舉升效率進(jìn)行了對(duì)比分析。利用儀器儀表對(duì)油壓、套壓、動(dòng)液面進(jìn)行測(cè)試，采用罐車計(jì)產(chǎn)方式對(duì)日產(chǎn)液量進(jìn)行量取。利用原油舉升系統(tǒng)的效率公式[8]計(jì)算機(jī)采井在兩種拖動(dòng)方式下的效率值。舉升效率對(duì)比見表2，在T油田地質(zhì)[9]條件下，機(jī)采井正常生產(chǎn)時(shí)，永磁半直驅(qū)拖動(dòng)的抽油機(jī)系統(tǒng)的效率平均值可達(dá)15.79%，最高可達(dá)22.46%，最低可達(dá)10.04%，均較“普通異步電動(dòng)機(jī)+變頻控制柜”形式拖動(dòng)的抽油機(jī)系統(tǒng)效率高，平均高出3.23%。

表2 舉升效率對(duì)比

2.3 額定功率選擇

電動(dòng)機(jī)功率利用率應(yīng)在一定范圍內(nèi)，以保證電動(dòng)機(jī)合理利用。功率利用率過低，說明功率浪費(fèi)嚴(yán)重，即所謂的“大馬拉小車”；功率利用率過高，說明電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于高負(fù)荷狀態(tài)，電流、溫升均較大，即所謂的“小馬拉大車”。實(shí)踐證明，一般情況下，普通異步電動(dòng)機(jī)功率利用率應(yīng)保持在20%~45%較為適宜，既不造成功率浪費(fèi)，也不會(huì)使電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于高負(fù)荷狀態(tài)。永磁電動(dòng)機(jī)的自身結(jié)構(gòu)與機(jī)械特性決定了較普通異步電動(dòng)機(jī)具有更寬的功率利用率[10]，實(shí)踐證明，一般其功率利用率在20%~55%。

上述說明，永磁電動(dòng)機(jī)功率利用率較普通異步電動(dòng)機(jī)高，因此在選擇永磁電動(dòng)機(jī)時(shí)，其額定功率的選擇應(yīng)合理下調(diào)，確保企業(yè)在保障生產(chǎn)的同時(shí)成本最低。

計(jì)算實(shí)際功率時(shí)，一般依據(jù)單井的抽油桿桿柱、液柱重，以及具體的游梁式抽油機(jī)四連桿各部尺寸、減速箱輸出效率等幾個(gè)方面進(jìn)行，且計(jì)算結(jié)果一般根據(jù)油田地質(zhì)情況需要乘以一個(gè)系數(shù)，以確保井下砂、蠟等條件的各種變化帶來的負(fù)載變化。

在進(jìn)行一系列計(jì)算后，可得出電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩，電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算公式：

式中：P為電動(dòng)機(jī)實(shí)際功率，k W；M為電動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩，k N·m；n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

功率確定后，再確定電動(dòng)機(jī)的額定功率：

式中：P額為額定功率，kW；α為功率系數(shù)，不同油田取值不同，T油田一般取1.3~1.4；P為電動(dòng)機(jī)實(shí)際功率，kW；η為功率利用率。

依據(jù)公式（1）、（2），對(duì)21口井的實(shí)際情況進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算出功率利用率在20%~55%時(shí)電動(dòng)機(jī)的額定功率范圍。以功率利用率40%的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)值以及供應(yīng)商提供的三種電動(dòng)機(jī)功率類型（22、30、37 kW）為依據(jù)，確定實(shí)際額定功率。額定功率選擇情況見表3，結(jié)果表明，1#，4#，9#，10#，12#，13#，14#，16#，17#，18#井的永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)額定功率選擇為22 kW，其余井永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)額定功率選擇為30 k W。

表3 額定功率選擇情況

2.4 清蠟點(diǎn)確定

機(jī)采井井下負(fù)載會(huì)直接體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是光桿載荷，二是電動(dòng)機(jī)電流。光桿載荷數(shù)據(jù)通過測(cè)試示功圖的方式獲得，一般每月進(jìn)行一次；電動(dòng)機(jī)電流通過電流表直接測(cè)試的方式獲得，每天進(jìn)行一次。因電動(dòng)機(jī)電流數(shù)據(jù)的連續(xù)性較高，因此較光桿載荷更方便、更及時(shí)地反映機(jī)采井井下負(fù)載狀況。T油田機(jī)采井的清蠟點(diǎn)判定一般依據(jù)電動(dòng)機(jī)上電流進(jìn)行。

實(shí)踐表明，普通異步電動(dòng)機(jī)上電流上升3~5 A，即證明井下結(jié)蠟較為嚴(yán)重，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行清蠟。因此，當(dāng)機(jī)采井其它參數(shù)未發(fā)生變化的情況下，將普通異步電動(dòng)機(jī)上電流上升達(dá)到3~5 A作為清蠟點(diǎn)。永磁電動(dòng)機(jī)與普通異步電動(dòng)機(jī)相比，其輸出功率基本相同時(shí)，電流數(shù)據(jù)較普通異步電動(dòng)機(jī)小，應(yīng)當(dāng)對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)的清蠟點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)采取“基本相同光桿載荷變化條件下的上電流變化值”方式，選取5口井，對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)與普通異步電動(dòng)機(jī)的載荷變化值與上電流變化值對(duì)比跟蹤測(cè)試見表4。結(jié)果表明，永磁電動(dòng)機(jī)上電流變化達(dá)到2~3 A，即與普通異步電動(dòng)機(jī)上電流上升達(dá)到3~5 A效果相同。因此，在機(jī)采井其它參數(shù)未發(fā)生變化的情況下，將永磁半直驅(qū)同步拖動(dòng)裝置的電動(dòng)機(jī)上電流上升2~3 A作為機(jī)采井清蠟點(diǎn)。

表4 載荷變化值與上電流變化值對(duì)比跟蹤測(cè)試

2.5 投資回收期

永磁半直驅(qū)技術(shù)應(yīng)用后，減少了電能的消耗、皮帶的消耗、人員及車輛的消耗。以21口試驗(yàn)井為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。

投入30 k W普通異步電動(dòng)機(jī)：?jiǎn)蝺r(jià)0.97萬元/臺(tái)，投入21臺(tái)；30 kW變頻配電箱：?jiǎn)蝺r(jià)為2.45萬元，投入21臺(tái)，合計(jì)費(fèi)用為71.82萬元。

22 kW永磁半直驅(qū)同步拖動(dòng)裝置：?jiǎn)蝺r(jià)為7.15萬元，投入21臺(tái)費(fèi)用為150.15萬元。21口井采用永磁半直驅(qū)技術(shù)比普通異步電動(dòng)機(jī)多投入78.33萬元。產(chǎn)出：日節(jié)電25.1 k Wh，年時(shí)率350天，21口井年節(jié)電18.448 5×104kWh，電費(fèi)0.637元/kWh，則21口井年節(jié)約電費(fèi)11.75萬元；單井年耗費(fèi)皮帶6組，每組400元，21口井年可節(jié)約皮帶費(fèi)用5.04萬元；21口井更換皮帶工作年需3人，人工費(fèi)用為13萬元/人，累計(jì)工作時(shí)長(zhǎng)約40天，人均年實(shí)際工作天數(shù)為250天，則人工費(fèi)用為6.24萬元。

3 結(jié)論

1）在葡萄花油田，永磁半直驅(qū)技術(shù)與變頻控制的普通異步電動(dòng)機(jī)相比，節(jié)電率約為19.87%，日節(jié)電約為25.1 kWh，系統(tǒng)效率約高出3.23%。

2）在T油田，永磁半直驅(qū)技術(shù)電動(dòng)機(jī)上電流上升2~3 A可作為機(jī)采井的清蠟點(diǎn)。在不同油田地質(zhì)條件下，該數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

3）永磁半直驅(qū)技術(shù)電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇應(yīng)以功率利用率20%~55%為原則，依據(jù)單井實(shí)際情況確定。