關文濤（大慶油田有限責任公司第十采油廠）

可變功率節(jié)能拖動裝置在低滲透油田的應用

關文濤（大慶油田有限責任公司第十采油廠）

某低滲透油田原油物性差，要求抽油機啟動扭矩大，需要大容量的裝機功率，造成電動機生產(chǎn)時處于輕載運行狀態(tài)，為解決這一問題，在電動機能耗分析的基礎上，研究試驗了可變功率節(jié)能拖動裝置，應用該裝置單井平均日節(jié)電15.12kWh，綜合節(jié)電率達24.82%。

抽油機 可變功率 拖動裝置 節(jié)能 低滲透油田

某低滲透油田開采初期采用普通Y系列拖動裝置，該拖動裝置啟動轉(zhuǎn)矩低，所以通過提高拖動裝置容量來滿足啟動需要，但過大的裝機容量造成油井生產(chǎn)時常常處于輕載運行狀態(tài)，使拖動裝置運行效率降低，增加了油井能耗。為降低機采能耗，油田在電動機能耗分析的基礎上，現(xiàn)場試驗可變功率節(jié)能拖動裝置，取得了較好的節(jié)能效果。

1 電動機耗能自身影響因素

電動機運行時耗能因素很多，其中自身損耗也是主要影響因素之一。

1.1電動機的損耗

電動機的損耗分為以下4類：

◇ 基本銅耗 (ΔPCu)： 由 交 流 電 樞 繞 組 的 相 電流和相電阻引起；

◇ 基 本 鐵 心 損 耗 (ΔPFe)： 由于磁 通 交 變 在 鐵心中產(chǎn)生的損耗，包括磁滯及渦流損耗；

◇ 機 械 損 耗 ( ΔPfw)： 包 括 通 風 系 統(tǒng) 損 耗 及 軸承機械摩擦損耗；

◇ 雜散損耗(ΔPs)：除上述以外的電動機損耗歸 于雜散 損耗 (簡稱 雜耗)， 主要 為漏磁 場在 金屬中的渦流損耗以及氣隙中諧波磁場在定子鐵心和導體中引起的損耗等，各種電動機雜耗差別很大，一般隨 負 載 增 大 ，雜耗基 本 與 電 流 平方成正 比[1]。

以上4類損耗可以分成兩部分，即不隨負載變動的不變損耗與可變損耗。不變損耗包括鐵心損耗及風摩損耗，可變損耗包括銅耗及雜耗。

1.2電動機損耗分析

三相異步電動機的輸入有功功率為

其輸出功率為

電動機的損耗 ΔP機隨輸出功率 P2的變化關系如 圖1 所 示 ， 淺 綠 色 線 為 ΔPfw、 粉 色 線 為 ΔPfw+ ΔPFe、 藍 色 線 為 ΔPfw+ ΔPFe+ ΔPs、 紅 色 線 為ΔPfw+ ΔPFe+ ΔPs+ ΔPCu。

圖1 異步電動機損耗隨輸出功率的變化趨勢

現(xiàn)場試驗表明，異步電動機的損耗一般占額定功率的6%左右，并且隨著額定功率的增大，其自身損耗所占比重也隨之增加。

1.3電動機效率分析

電動機的效率計算公式：η1=P2/P1× 100%=(1- ∑ΔP機/P1)× 100% （3）通過理論分析，電動機效率 η1隨輸出功率 P2的變化曲線如圖2所示。從圖中可以看出，當 P2在 （60%～100%）PN范圍變化時，電動機效率 η1較高；當電動機負荷低于 50%PN以后，電動機效率急劇 下 降[2]。

圖2 異步電動機的效率曲線

因此，要提高電動機負載率，就要提高電動機效率；但當電動機的輸出功率基本保持不變且與裝機功率相比過小時，提高負載率最有效的辦法就是降低電動機額定功率 PN。

理論分析表明，要使電動機在最低能耗下發(fā)揮最大功能，應在保證啟動力矩前提下，盡可能地降低電動機的額定功率，提高電動機的功率利用率和電動機效率，最大限度地使抽油機負載和電動機輸出功率達到匹配。

2 可變功率節(jié)能拖動裝置

某油田為降低機采能耗，近幾年不斷試驗應用了不同類型的節(jié)能電動機，雖然取得了一定的節(jié)能效果，但都沒有從根本上解決“大馬拉小車”的問題。

2.1可變功率電動機

可變功率節(jié)能拖動裝置由可變功率電動機和電動機控制箱兩部分組成?？勺児β孰妱訖C與雙速雙功率電動機的區(qū)別在于繞組的不同：雙速雙功率電動機有2套繞組，2種接法，對應2種電動機極數(shù)、轉(zhuǎn)速和功率；而可變功率節(jié)能拖動裝置的電動機只有1套繞組，3種接法，對應 3種功率 （表1）。

根據(jù)試驗井的負載及工作參數(shù)等情況，選取可變功率電動機型號為 YCH225-12 （YCH 指抽油機專用三相異步高轉(zhuǎn)差率電動機，225 表示機座中心高為 225mm，12表示電動機極數(shù)為 12極，對應同步轉(zhuǎn)速為 500r/min）。

可變功率電動機有以下特點：

1）電動機具有 7%～11%的轉(zhuǎn)差率，這樣的軟啟動特性有利于抽油機在啟動和發(fā)生砂卡、蠟卡時減少減速箱和抽油桿所受的沖擊載荷，延長抽油機的使用壽命。

表1 可變功率電動機性能參數(shù)

2）電動機具有較大的過載能力，能在額定負荷下連續(xù)可靠地運行。

3）電動機繞組內(nèi)裝有過溫保護熱繼電器，能夠通過保護裝置來保障電動機的可靠運行。

4）電動 機具有 3 種轉(zhuǎn)矩形式 的輸出可供 選擇，能夠與抽油機達到良好的功率匹配。

5）可變功率節(jié)能拖動裝置的電動機控制箱與普通控制箱的最大區(qū)別在于內(nèi)部裝配了一個能夠進行數(shù)字化顯示的節(jié)能控制器(跟蹤、記錄電流并進行功率切換)，上有可顯示電動機電流等其他參數(shù)的液晶面板；同時該電動機控制箱還配備有補償電容器，能降低電動機及線路的無功損耗，提高電動機功率因數(shù)；另外還具有短路保護、過載保護、斷相保護、浪涌過電壓保護（防止電動機因過電壓或雷擊而燒毀）及故障記憶、靈敏度調(diào)節(jié)等功能。

2.2可變功率節(jié)能拖動裝置的工作原理

可變功率節(jié)能拖動裝置電動機繞組的3種連接方式分別是星形、角形和延邊三角形，不同的連接方式對 應不 同的輸 出轉(zhuǎn) 矩(額 定功 率)。當 電動機 繞組接成角形時，輸出轉(zhuǎn)矩最大；當電動機繞組接成延邊三角形時，輸出轉(zhuǎn)矩次之；當電動機繞組接成星形時，輸出轉(zhuǎn)矩最小。

該節(jié)能拖動裝置利用控制箱里的數(shù)字化節(jié)能控制器來實現(xiàn)高、中、低3種輸出轉(zhuǎn)矩形式的自動變換。啟動時運行狀態(tài)為高功率形式，啟動后由數(shù)字化節(jié)能控制器檢測抽油機運行負載和電流，并根據(jù)電動機負載電流的大小，自動選擇一種與負載最佳的功率匹配形式運行。如果小于下一級功率的額定電流，就將電源切換到電動機的下一級功率狀態(tài)；電動機運行在小功率期間，如果采油工況發(fā)生變化，抽油機負載大于電動機小功率對應的額定負載，就將電源切換回電動機的大功率狀態(tài)。這樣就可以在輕負載的情況下將電動機的額定功率自動降至最低需求，而在整個功率變換過程中，電動機轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，降低電動機的定子勵磁電流，使電動機繞組的鐵損、銅損以及整個供電線路的損耗減少，避免電動機的電能浪費，提高了電動機的效率。

3 裝置應用及效果

3.1安裝前試驗井情況

安裝前5口試驗井所用拖動裝置均是雙速雙功率電動機，額定功率有兩擋，同時對應不同的轉(zhuǎn)速和沖速。為了對比高低擋功率下的耗能情況，選取其中4口試驗井分別對高、低擋功率運行狀態(tài)進行測試對比，對比試驗井高擋功率15kW，低檔功率10kW，對 應 轉(zhuǎn)速為 700r/min 和 450r/min，測試 結(jié)果表明：低檔狀態(tài)相比高檔狀態(tài)，沖速下降1.81min-1， 有 功 功 率 減 少 0.93kW， 有 功 節(jié) 電 率21.58% ， 單 井 日 節(jié) 電 22.32kWh， 節(jié) 電 效 果 較 明 顯（表2）。

表2 雙速雙功率電動機高、低擋位應用效果對比

通過以上高低功率應用效果的對比，現(xiàn)場實際生產(chǎn)過程中，5口試驗井均選擇低檔位、低功率狀態(tài) 下 運 行 ， 平 均上、下 電 流 為 11.3A、11.1A， 平均消耗功率為 3.39kW，功率利用率為 35.7%，平均無功功率 13.36kvar，平均功率因數(shù) 0.25，平均系統(tǒng)效率為 4.35%。

3.2可變功率電動機運行情況

2009年 9月在 5 口試驗井上更換安裝可變功率節(jié)能拖動裝置，安裝后試驗井均能順利啟動，產(chǎn)量保持穩(wěn)定。在功率變換的過程中，一個明顯變化就是上下電流值的變化：在功率由高到低的變換中，電流值也在一直變小 （表3）。上升 4.27%，消耗功率下降 0.99kW，平均單井日節(jié)電 23.8kWh， 有 功 節(jié) 電 率 為 29.24%， 無 功 節(jié) 電 率79.26%，綜合節(jié)電率 36.24%。

3.3.2 沖速相同時的效果

為了說明電動機的節(jié)能效果，需要在沖速不變的前提下，錄取試驗井的運行參數(shù)。2009年 10月下旬對試驗井進行了沖速調(diào)整，使試驗井全部調(diào)整到試驗前的沖速水平。

沖速調(diào)整后，和安裝前對比，上下電流分別下降 7.7A、7.9A，功率利用率提高 24.3%，系統(tǒng)效率上升 3.07%，消耗功率下降 0.63kW，平均單井日節(jié)電 15.12kWh， 有 功 節(jié) 電 率 為 18.58% ， 無 功 節(jié) 電 率53.23%，綜合節(jié)電率 24.82%。

通過沖速調(diào)整前后的對比發(fā)現(xiàn)，沖速對最終節(jié)能效果的影響是比較大的。

3.3.3 經(jīng)濟效益

可變功率拖動裝置目前單臺價格 2.67 萬元，單井日節(jié)電 15.12kWh，按設備運轉(zhuǎn) 15 年、電 費 0.5946元/kWh 計算，年節(jié)電 5518.8kWh，年節(jié)約資金 3281元，與普通電動機相比差價回收期 2.6年。

4 認識

1）可變功率電動機能夠?qū)崿F(xiàn)抽油機井高擋啟動，低擋運行，解決“大馬拉小車”問題。

2）可變功率電動機在低擋運行狀態(tài)下，可提高功率利用率，有效降低了電動機內(nèi)部損耗，節(jié)能

3.3效果對比

3.3.1 沖速不同時的效果

安裝初期，試驗井平均沖速相比安裝前有所降低 ， 平 均 沖 速 下 降 0.91min-1， 上 下 電 流 分 別 下 降8.5A、8.6A，功率利用率提高 16.47%，系統(tǒng)效率效果顯著。

表3 電動機功率變換過程中電流變化情況

[1]李夙.異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,1999：97-100.

[2]萬 仁 溥.采 油 技 術 手 冊 [M].北 京:石 油 工 業(yè) 出 版 社, 1993：55-58.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.002.012

2012-10-08）

關文濤， 2006年畢業(yè)于黑龍江科技大學，從事機采節(jié)能 工作，E-mail:guanwentao@petrochina.com.cn， 地 址 ： 黑 龍 江省大慶油田有限責任公司第十采油廠工程技術大隊，166405。