周 帥 崔金榜 熊 平 湯繼丹 楊 波

(1.華北油田公司采油工藝研究院,河北 062552;2.華北油田公司煤層氣分公司,山西 048000)

在華北油田煤層氣開發(fā)中主要采用常規(guī)抽油機(jī)進(jìn)行生產(chǎn),抽油機(jī)在排采設(shè)備中占90%以上。抽油機(jī)依據(jù)井深、載荷等選用3型和5型兩種;抽油桿選用 D級(jí) φ19mm;管式泵主要有 φ38mm、φ44mm、φ56mm三種。

抽油機(jī)作為活塞式有桿泵的地面舉升設(shè)備,只要能夠滿足其運(yùn)動(dòng)及機(jī)械特性的電動(dòng)機(jī)就可以作為其拖動(dòng)的動(dòng)力設(shè)備,目前煤層氣井抽油機(jī)拖動(dòng)裝置普遍采用電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)。電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)又稱滑差電機(jī),它是一種恒轉(zhuǎn)矩交流無級(jí)變速電動(dòng)機(jī)。電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)是由普通鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)、電磁滑差離合器和電氣控制裝置三部分組成。異步電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)使用,當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)離合器的電樞一起旋轉(zhuǎn),電氣控制裝置是提供滑差離合器勵(lì)磁線圈勵(lì)磁電流的裝置。

抽油機(jī)工作時(shí)是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)驢頭上下擺動(dòng),驢頭帶動(dòng)抽油桿使活塞泵做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成抽汲過程。抽油桿在上行和下行時(shí)負(fù)載的變化大,導(dǎo)致抽油機(jī)減速器的凈扭矩波動(dòng)幅度大,反映在電機(jī)上則電流變化大。由于抽油機(jī)具有自身的機(jī)械平衡裝置和周期脈動(dòng)的負(fù)載特性,所以要求電機(jī)具有高啟動(dòng)扭矩,才能保證抽油機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下啟動(dòng)起來。因此在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)必須設(shè)計(jì)使用比穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)功率大得多的電機(jī)和大容量變壓器。這雖然解決了啟動(dòng)問題,但電機(jī)正常運(yùn)行是在輕載狀態(tài),降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)和電機(jī)的效率,負(fù)載率極低,功率損耗大,能源浪費(fèi)嚴(yán)重。

隨著煤層氣開發(fā)的進(jìn)一步深入,開發(fā)井越來越多,耗電量也日益增加。在用電高峰期時(shí)為了保證高產(chǎn)井生產(chǎn)的需要,不得不采取限電措施,關(guān)閉一批低產(chǎn)井,從而影響到煤層氣的產(chǎn)量。為了達(dá)到節(jié)能降耗、提高效益的目的,將開關(guān)磁阻節(jié)能電機(jī)應(yīng)用到煤層氣抽油機(jī)井上。

1 開關(guān)磁阻電機(jī)組成

開關(guān)磁阻電機(jī)由控制器和電動(dòng)機(jī)兩大部分組成。電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子是一塊圓筒形導(dǎo)磁金屬,圓筒內(nèi)壁上有棱,棱上纏有繞組,在圓筒軸心對(duì)稱位置上的每一對(duì)繞組都是連通的,通電后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)過圓筒軸心的定向磁場;轉(zhuǎn)子由磁阻極小的金屬制成 (硅鋼片),無繞組及永磁體。

開關(guān)磁阻電機(jī)配有控制器,控制器由嵌入式微處理器、可編程邏輯器件、驅(qū)動(dòng)電路、電力電子器件及軟件組成。提供5位數(shù)碼管數(shù)據(jù)顯示,可查看電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)及各種參數(shù)的設(shè)置情況：具有鍵盤輸入功能,通過對(duì)鍵盤的操作,可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的起?？刂萍案鞣N參數(shù)的設(shè)計(jì);具有開關(guān)量和模擬量接口,可輸入傳感器及開關(guān)信號(hào),可輸入模擬量及繼電器信號(hào),可實(shí)現(xiàn)簡單的PLC控制功能;具有通訊接口,用戶可通過該接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控,同時(shí)也可通過該通訊口下載程序,進(jìn)行系統(tǒng)的維護(hù)。

表1 安裝前后拖動(dòng)裝置參數(shù)對(duì)比表

2 工作原理

控制器根據(jù)位置檢測器檢測到的定子、轉(zhuǎn)子間相對(duì)位置信息,結(jié)合給定的運(yùn)行命令,導(dǎo)通相應(yīng)的定子繞組,繞組中有直流電流流過,產(chǎn)生定向磁場。由于轉(zhuǎn)子是磁阻很小的金屬,很容易被磁場吸引,定子上的磁場吸引轉(zhuǎn)子上離其最近的棱極,使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),最終轉(zhuǎn)子棱極與定子上的通電繞組相吻合。(由于磁場總是趨于“磁阻最小”,由此而產(chǎn)生的磁阻性電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向“極對(duì)極”位置。)當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到平衡位置時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩消失。此時(shí)控制器根據(jù)新的位置信息,在定轉(zhuǎn)子即將達(dá)到平衡位置時(shí),向功率變換器發(fā)出命令,關(guān)斷當(dāng)前的繞組,而導(dǎo)通下一相繞組,則轉(zhuǎn)子又會(huì)向下一個(gè)平衡位置轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣,控制器根據(jù)相應(yīng)的位置信息按一定的控制邏輯連續(xù)地導(dǎo)通和關(guān)斷相應(yīng)的繞組,就可產(chǎn)生連續(xù)的同轉(zhuǎn)向的電磁轉(zhuǎn)矩,使轉(zhuǎn)子在一定的轉(zhuǎn)速下連續(xù)運(yùn)行。根據(jù)一定的控制策略控制各相繞組的通、斷時(shí)刻以及繞組電流的大小,還可使電機(jī)在設(shè)定狀態(tài)下運(yùn)行。

開關(guān)磁阻電機(jī)不存在三相異步電動(dòng)機(jī)的不足,首先其輸出轉(zhuǎn)矩不受轉(zhuǎn)速的影響。當(dāng)負(fù)載增大,轉(zhuǎn)速趨于降低時(shí),控制器根據(jù)速度檢測器檢測到的速度變化,自動(dòng)增大定子繞組電流,輸出轉(zhuǎn)矩增大,使轉(zhuǎn)速度提高,直到轉(zhuǎn)速重新達(dá)到設(shè)定速度 (當(dāng)負(fù)載減小時(shí),控制原理相同)。即開關(guān)磁阻電機(jī)控制靈活,易于實(shí)現(xiàn)各種特殊要求的“轉(zhuǎn)矩-速度”特性;其次,關(guān)磁阻電機(jī)不存在三相異步電動(dòng)機(jī)的無功損耗,其功率密度大,在任何運(yùn)行狀態(tài)下均可實(shí)現(xiàn)較高的運(yùn)行效率。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 安裝前后拖動(dòng)裝置參數(shù)

在HX13和HX19兩口井上安裝5.5kW開關(guān)磁阻電機(jī),兩口井使用的都是華北石油榮盛機(jī)械有限公司制造的CY JY3-1.5-9HB型抽油機(jī),安裝前后抽油機(jī)拖動(dòng)裝置參數(shù)如表1所示。

3.2 節(jié)能效果測試

分別對(duì)安裝電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行測量,對(duì)比兩種拖動(dòng)裝置的耗電情況。兩口井節(jié)能效果測試數(shù)據(jù)表2和表3所示。

表2 HX13井節(jié)能效果測試數(shù)據(jù)表

表3 HX19井節(jié)能效果測試數(shù)據(jù)表

3.3 應(yīng)用效果

(1)開關(guān)磁阻電機(jī)不存在三相異步電動(dòng)機(jī)的無功損耗和“大馬拉小車”現(xiàn)象,相比電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能效果良好,兩口井節(jié)電率都在50%以上。5.5KW電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)日耗電按60kW·h計(jì)算,電費(fèi)按0.7元/kW·h計(jì)算,根據(jù)測試結(jié)果計(jì)算平均每口抽油機(jī)井年節(jié)約電費(fèi)8942.5元。

(2)開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速范圍寬,沖次調(diào)節(jié)范圍在0.6～9次/分。

(3)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有軟起動(dòng)特性,啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高,啟動(dòng)電流小。

4 結(jié)論

開關(guān)磁阻節(jié)能電機(jī)相比原有的電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能效果明顯,在煤層氣抽油機(jī)井上有著比較好的應(yīng)用前景,通過對(duì)現(xiàn)場應(yīng)用情況進(jìn)行分析,可以得到以下結(jié)論：

(1)開關(guān)磁阻電機(jī)功率因數(shù)高,調(diào)速范圍寬,節(jié)能效果好。

(2)適用于頻繁啟停及正反轉(zhuǎn)運(yùn)行,高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,低起動(dòng)電流。

(3)可控參數(shù)多,調(diào)速性能好,低速運(yùn)行穩(wěn)定。

(4)全區(qū)間運(yùn)行效率高,損耗小。

(5)開關(guān)磁阻電機(jī)在運(yùn)行過程中噪聲和振動(dòng)比較大,應(yīng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和完善,提高電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。

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