游梁式抽油機動態負荷全工況模擬加載測試裝備研制與應用

李國喜（大慶石油管理局有限公司技術監督中心）

抽油機是油田應用最廣泛的耗能設備之一，截止2020年底，大慶油田機采系統耗電量約為39.04×108kWh，占油氣生產耗電量的28.85%。為降低能耗，“十三五”期間，油田投入大量資金進行抽油機系統節能改造，在抽油機及配套設備方面應用了大量的節能產品，主要包括各種節能型抽油機、變壓器、電動機、配電箱及其它配套節能裝置，限于條件只是在簡易水力模擬井上或生產現場進行了整體節能效果測試[1-2]。由于在國內缺乏抽油機及配套節能產品的標準測試系統，對節能產品評價未達到科學合理，應用的節能產品對抽油機各節能點的影響缺少詳細的測試分析，阻礙了抽油機節能技術進一步的研究和應用。如何科學、公正、準確的評價上述節能產品的節能效果以及適合油田環境需求的相關性能，是擺在油田節能工作面前的主要課題[3]。

1 研制背景

目前，國內對抽油機及其配套節能產品的節能效果測試方法主要有兩種：

第一種是在生產井上進行現場測試。即在保持生產井動液面、沖次等生產參數基本不變的條件下，用電能測試儀測試使用節能產品前后的能耗量來評定節能產品節能效果的好壞，這種方法被國內其它油田所廣泛采用。但由于生產井產液量、動液面深度變化大，而生產井和生產井之間諸如泵深、產液量、沖程、沖次、平衡度等參數也并不同，勢必造成測試數據可比性不高。

第二種是在簡易水力模擬試驗井上進行測試。該井采用水為工作介質，整個井是一個封閉的系統。其優點是產液量和動液面深度可以控制，數據可比性高，可以對同一品種的節能產品的節能效果進行對比測試與評價。缺點一是只能進行整體節能效果測試，測試參數少，難以進行深入分析；二是有些參數的準確度不高，影響了測試的一致性；三是只能安裝一種抽油機，無法進行不同抽油機對比測試；四是測試過程多數由人工控制，存在一定的人為誤差，不能實現自動化，測試效率低；五是不能進行關鍵設備（電動機、變壓器）的性能指標檢測。

抽油機及配套節能產品測試的發展趨勢是建立高精度、自動化程度較高的標準測試裝置，并適應各種不同的測試條件（如電壓條件），并可進行抽油機系統的節點能耗分析和系統影響分析，指導生產單位節能產品的應用，解決抽油機系統技術難點（如在抽油機周期性變負荷下電動機效率研究、抽油機系統負功影響研究等），同時可進行各種抽油機及配套節能產品的能效評價。

2 研究內容

在抽油機水力模擬井的基礎上，完善了各種測試條件和工況，在抽油機系統的各環節配備高精度傳感器和測試儀器，并配置了室內電動機測試模擬系統，建立了自動化的測試系統，不僅能完成基本的抽油機及配套節能產品的節能效果測試，還能完成抽油機系統各節點效率測試及特殊要求測試，同時還能完成抽油機及配套節能產品的能效檢測和評價。

研究內容包括抽油機及其配套節能產品節能效果測試技術及電動機、變壓器能效評價系統兩個方面。

1）在抽油機及其配套設備節能效果測試方面，主要研究在油田使用條件下抽油機的各種配套設備及各種抽油機節能效果的準確、快速、客觀的測試方法。所謂油田使用條件，主要考慮以下四個方面：一是負荷大小、動頁面從200 m到800 m、沖次1～10次/min、流量可調；二是變工況，發電與電動工況功率大小可調；三是電壓偏差，油田線路首末端電壓往往有正負10%的偏差；四是運行環境，大慶油田低溫環境下電子控制裝置能正常運行。

2）在電動機、變壓器能效評價方面，主要根據最新的國際及國內標準研制安全可靠、準確、快速的標準化自動測試系統。為了能保證測試結果的正確性與實用性，保證測試合格的節能裝置在實際運行中確實具有所需要的節能效果，研究以下問題：模擬試驗井系統總體結構、參數選擇及系統效率測試方法及測試系統設計；抽油機地面部分、井下部分及電動機、變壓器、控制器五大環節在變工況（電動-發電）條件下各自效率的同步測試方法與測試系統研究；在電壓偏差條件下抽油機配套電氣設備能效測試方法，模擬試驗井電源調壓方法及裝置；適合大慶油田氣候條件的耐候性測試方法及測試系統；在電動機、變壓器的功率及電壓、電流涵蓋大范圍的情況下，準確、快速測試機電量（電功率、機械功率、電壓、電流、電阻、轉速等）的方法與測試裝置研究、測試系統設計；兼顧電動機起動過程高倍力矩沖擊及額定力矩準確測試，兼顧快速裝卸的機械功率測試方法及測試裝置設計；兼顧能量回饋及系統可靠性的動態負載加載方法及裝置；適合頻繁拆裝及機械力矩準確測試的電動機安裝平臺研究。

3 研究路線

3.1 前期技術研究

現有的抽油機節能產品節能效果測試都在標準電壓下進行（如380 V±5%），但通過大量的現場測試分析發現，雖然許多節能產品在標準的電壓下測試節能效果很好，由于油田電網復雜、距離較長，在實際運行中反映出的問題卻很多，使節能效果大打折扣，對節能測試系統就提出了如何反映油田實際運行環境的問題[4]。以永磁電動機為例，進行進一步的分析。

1）實際使用中的稀土永磁電動機功率因數很低的問題。對某油田的采油廠36臺稀土永磁電動機進行了大量的實際測試并收集了實際運行數據。由表1可知，其功率因數小于0.5的共計11臺，在0.9及以上的11臺，其余則在0.51～0.89的范圍[8]。

表1 某廠永磁電動機的負載情況及功率因數Tab.1 Load condition and power factor of permanent magnet motor

綜合分析實際測試的永磁電動機的功率因數，發現基本情況如下：功率因數大于或等于0.9的大約只有三分之一，而功率因數小于0.5的，也占到大約三分之一。

功率因數小于0.5的永磁電動機，實際功率因數在0.2～0.5的范圍，這與目前廣泛使用的異步電動機的實際運行功率因數基本持平甚至更低；考慮到永磁電動機諧波往往較大，諧波損耗往往抵消了輕載運行的轉子銅耗，所以，用這部分永磁電動機代替異步電動機則是基本不節能甚至是完全不節能的。由此可知，油田實際運行的稀土永磁電動機功率因數低導致能效低的問題是非常突出的。

2）供電電壓過低、過高導致永磁電動機功率因數很低[6-7]。油田的供電線路的長度一般達到10 km甚至更長，在較長供電線路情況下，供電線路的首端和末端的電壓差別較大。大量實測表明，對于額定電壓為380 V電動機的供電系統，首端電壓通常達到410～420 V，而末端卻只有350～360 V左右。

圖1a～1d為實測電壓與電流的瞬時值曲線，圖左上角所標示的是線電壓的有效值。油田電動機供電電壓范圍為344～418 V，相對于額定電壓（380 V）的偏差基本上在±10%的范圍。圖1a）為安裝某中調壓節能裝置后的電流曲線，圖1b）～圖1d）為未安裝任何節能裝置的電流曲線。圖1d）所測試的角接電動機的相電流波形（由于過電壓造成的過飽和現象，使得圖1d的電流中包含了顯著地3次諧波環流）。由此可知，抽油機用稀土永磁電動機同時具有輕負載及電源電壓偏差顯著兩個特點。此外，部分永磁電動機在運行中退磁狀況明顯，進一步增大了其反電勢與電源電壓之間的差別。

圖1 油田電動機的典型供電電壓（瞬時值）Fig.1 The typical supply voltage of an oilfield motor(instantaneous value)

3）電源電壓發生偏差時永磁電動機的空載電流顯著增加。通過實驗室測試數據分析空載電流隨電源電壓變化的情況，對于380 V/22 kW的稀土永磁電動機，當電源電壓等于感應電勢（380 V）時，空載電流的典型數值基本是在1.5～2 A，而當電源電壓在國家標準允許的范圍內（±7%）發生偏差時，空載電流可能達到12～15 A。由此可知，電壓雖然僅僅變化了7%，空載電流卻可能增至6～10倍。

如圖2所示，22 kW的8極稀土永磁電動機的實測空載電流情況。該電動機反電勢約為370 V。當外加電壓等于反電勢時，空載電流為2 A，當外加電壓比反電勢大30 V，達到400 V時，空載電流達到約12 A；當外加電壓比反電勢小30 V時，空載電流也達到約9 A。

圖2 22 kW永磁電動機不同電壓下的空載電流Fig.2 22 kWno-load current of permanent magnet electric power at different voltages

4）輕載運行的永磁電動機的功率因數與電源電壓關系[8]。在稀土永磁電動機輕載運行的情況下，功率因數也隨著供電電壓的變化而發生顯著變化。如當負載是額定功率1/3的時候，如果供電電壓等于電動機的反電勢，其功率因數可以接近0.98；而一旦供電電壓發生30 V的偏差，功率因數就可能降至0.8左右，甚至低于0.7。圖3、圖4為22 kW的8極的稀土永磁電動機在負載率等于34%、58%時的功率因數隨外加電壓變化的曲線。圖3典型數值如下：電壓等于反電勢（368 V），功率因數0.98；電壓比反電勢小20 V，或者大15 V，功率因數降至0.9；電壓比反電勢小30 V，功率因數降至0.82；電壓比反電勢大30 V，功率因數降至0.7。

圖3 稀土永磁電動機在負載率等于34%時的功率因數隨電壓變化的曲線Fig.3 The power factor curve of rare earth permanent magnet electrodynamics with voltage variation when the load ratio is 34%

圖4 稀土永磁電動機在負載率等于58%時的功率因數隨電壓變化的曲線Fig.4 The power factor curve of rare earth permanent magnet electrodynamics with voltage variation when the load ratio is 58%

3.2 測試系統設計原則

目前在石油系統對油田節能產品的測試評價一種方法是采用現場生產井測試和模擬井測試，現場生產井測試由于測試前后工況變化對測試結果影響較大，只在節能技改項目進行統計性對比測試使用；另一種方法是采用水力模擬井進行測試，現有的模擬井屬于簡易的測試裝置，受儀器配置、測試同步性、人為誤差的影響，存在測試準確度不高、測試項目不全（只能進行整體的節能效果測試）、測試條件單一等問題，同時很多生產一線需要的中間參數不能測試，這種方法對節能產品的測試評價不很準確和完善，且未進行過不同節能型抽油機的對比測試。通過裝置研究克服了上述測試方法存在的問題和不足，可準確實現節能產品能耗的對比測試、評價[9-10]。

3.3 系統及裝置功能

抽油機及配套節能產品標準測試評價裝置主要由抽油機模擬測試系統、室內電動機測試系統和變壓器測試系統三套系統組成，實現功能如下：

1）抽油機模擬測試系統。該系統避免了現有類似簡易裝置的不足，在標準抽油機的各個環節均安裝了高精度的傳感器，對抽油機從高壓側到井下各環節的參數均可檢測，各種參數由計算機系統同步采集。測試條件和功能：對比測試變壓器、配電箱、電動機等抽油機應用節能產品的節能效果；完成不同抽油機的能效測試，測試范圍：3-12型；對抽油機井及其產品進行各種節能技術研究試驗；抽油機控制設備的低溫性能試驗。測試電壓范圍為380、660、1 140、340～430 V連續可調。

2）室內電動機測試系統。該系統由四個平臺組成，分別是大功率、中功率、小功率電動機試驗平臺和堵轉轉矩試驗平臺，采用進口雙量程扭矩傳感器測量電動機轉矩，采用西門子雙向變頻器對電動機試驗產生的能量回饋電網，并對電動機試驗負載進行控制，試驗電動機范圍覆蓋3～12型抽油機所用的電動機，該裝置實現的功能如下：抽油機用電動機的性能試驗；永磁電動機的特殊性能試驗；可進行室內各種電動機的負荷模擬試驗；測試電壓范圍：380、660、0～900 V連續可調。

3）變壓器測試系統。可完成與抽油機配套的各種變壓器性能、能效測試。研究的標準測試裝置與現有模擬井的測試功能和參數對比見表2。

表2 新舊抽油機節能測試裝置性能對比Tab.2 Comparison of performance of new and old energy-saving testing devices for pumping units

4）配電系統研究。為了滿足各種電壓等級電動機的測試要求，裝置設置了7臺變壓器，全部實現了高壓開關柜控制，提高操作的安全性，其中主變壓器采用為315 kVA，輸出電壓380 V，用于室內電動機測試系統供電和調壓器供電；站用變壓器為63 kVA，輸出電壓380 V，用于站內辦公等用電；升壓器變壓器100 kVA，輸出電壓660 V，用于室內測試660 V電動機供電；井用變壓器設置了三臺S9系列的50 kVA變壓器，輸出電壓分別為380 V、660 V和1 140 V用于抽油機供電，同時作為標準變壓器與其它節能變壓器進行對比測試；裝置還設置了一個空變壓器臺，用于安裝被試變壓器，在井用變壓器前安裝了高壓計量柜，用于抽油機井變壓器前高壓電參數測試，由于電動機測試時作為負載電動機發出的電能一般都用水電阻消耗，該裝置采用了無諧波雙向變頻器將負載電動機發出的電能回饋到電網，節約了90%以上的電動機試驗能耗。

4 實施效果

4.1 應用情況

在研究裝置的基礎上建立了三套測試評價系統，一是抽油機模擬測試系統，主要完成抽油機及配套節能產品的節能效果和節點能效測試；二是室內電動機測試系統，可完成與抽油機配套的各種電動機性能、能效測試和室內負載模擬；三是變壓器測試系統，可完成與抽油機配套的各種變壓器性能、能效測試。目前，相關檢測項目測試能力已經通過國家計量認證節能評審組專家評審。

4.2 效益分析

三套測試裝置可為各油田及社會企業提供測試技術服務和科研服務，預計可年創效益160萬元，工作量組成如下：年測試抽油機10臺，每臺20 000元，年創效益20萬元；年測試電動機50臺，每臺12 000元，年創效益60萬元；年測試變壓器50臺，每臺10 000元，年創效益50萬元；年測試節能控制器50臺，每臺6 000元，年創效益30萬元。

5 結論

1）裝置的研制填補了油田抽油機節能測試和科研領域配套節能產品節能效果測試、性能測試、節能型抽油機的節能效果測試的空白，同時可對各種抽油機及配套節能產品進行能效評價、對游梁式抽油機的各節能點效率測試和特殊要求測試。

2）裝置的建成使節能產品測試評價能力不斷提升，相關檢測能力的建設可使檢測目標市場擴大到集團公司范圍內，同時輻射國內整個石油行業，持續提升為企業把好節能產品質量關的能力。