抽油機(jī)節(jié)能電動(dòng)機(jī)評價(jià)及改造方式的研究

洪微微（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

抽油機(jī)節(jié)能電動(dòng)機(jī)評價(jià)及改造方式的研究

洪微微（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

游梁式抽油機(jī)是機(jī)械采油的主要設(shè)備，在抽油機(jī)節(jié)電方面，采取了各種各樣的措施，取得了諸多的成果和效益。針對目前正在用的節(jié)能電動(dòng)機(jī)從其機(jī)理進(jìn)行論述，同時(shí)針對電動(dòng)機(jī)節(jié)能改造的方式、方法進(jìn)行了分析，探討節(jié)能電動(dòng)機(jī)的更新原則及電動(dòng)機(jī)節(jié)能改造的方式。

節(jié)能電動(dòng)機(jī) 節(jié)能改造 雙功率 伺服

1 抽油機(jī)用節(jié)能電動(dòng)機(jī)評價(jià)

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。

1.1 常規(guī)游梁式抽油機(jī)的工作特性

抽油機(jī)工作時(shí)抽油桿在上行和下行時(shí)負(fù)載變化大，導(dǎo)致抽油機(jī)減速器的凈扭矩波動(dòng)幅度大，反映在電動(dòng)機(jī)上則電流變化大[1]。

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，所以要求電動(dòng)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。這樣在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)要求電動(dòng)機(jī)的額定功率要大（啟動(dòng)扭矩要大），當(dāng)抽油機(jī)啟動(dòng)以后正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載下降電動(dòng)機(jī)在輕載下工作（一般運(yùn)行功率僅為裝機(jī)功率的1/3），系統(tǒng)效率測試數(shù)據(jù)顯示抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)效率多在40%～60%、功率因數(shù)在0.3～0.5之間[2]。

1.2 節(jié)能電動(dòng)機(jī)簡介

多年來的實(shí)踐表明，我們認(rèn)為節(jié)能電動(dòng)機(jī)應(yīng)具備“電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載與電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩（功率）間的合理匹配”的功能，抽油機(jī)在運(yùn)行過程中，電動(dòng)機(jī)的輸出功率隨著載荷的變化在無人為干預(yù)的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換[3]。

（1）永磁電動(dòng)機(jī)

在結(jié)構(gòu)上與Y系列電動(dòng)機(jī)相似，所不同的是在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)鑲?cè)胗来盆F，使轉(zhuǎn)子自身具有高強(qiáng)度磁場，可以用來取代電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的電勵(lì)磁，顯著提高功率因數(shù)，減小定子電流和定子電阻損耗。永磁同步電動(dòng)機(jī)為同步工作方式，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場完全同步，與異步電動(dòng)機(jī)相比，無轉(zhuǎn)差損耗。

優(yōu)勢：

①效率高、高效區(qū)范圍寬；

②功率因數(shù)高，無功節(jié)電效果相當(dāng)顯著；

③起動(dòng)力矩大、過載能力強(qiáng)；

④在匹配合理的條件下、節(jié)電效果顯著。

不足：

①無法實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)運(yùn)行負(fù)載與電動(dòng)機(jī)輸出負(fù)載間的合理匹配；

②由于同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性較硬，在重載井上啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)易出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象；

③制造成本較常規(guī)Y系列電動(dòng)機(jī)要高出至少40%左右；

④容易出現(xiàn)退磁現(xiàn)象。

（2）伺服電動(dòng)機(jī)

屬于自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一種，是驅(qū)動(dòng)器從外面接收參數(shù)信息，將電流輸送給電動(dòng)機(jī)，通過電動(dòng)機(jī)扭矩帶動(dòng)負(fù)載，負(fù)載根據(jù)它自己的特性進(jìn)行動(dòng)作或加速，傳感器檢測負(fù)載的位置，使驅(qū)動(dòng)裝置對參數(shù)信息值和實(shí)際位置值進(jìn)行比較，然后通過改變電動(dòng)機(jī)電流使實(shí)際位置值和參數(shù)信息值保持一致[4]。

優(yōu)勢：

①可自動(dòng)調(diào)節(jié)啟動(dòng)過程中的運(yùn)行速度，降低電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，及啟動(dòng)過程中電動(dòng)機(jī)和機(jī)械系統(tǒng)的載荷沖擊；

②可大幅度降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，減少機(jī)械沖擊負(fù)載對機(jī)、桿、泵、變速箱的疲勞損傷；

③能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，按需供給，不浪費(fèi)有用電能；

④可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在零至額定轉(zhuǎn)速之間任意變速調(diào)節(jié)，且可恒轉(zhuǎn)矩輸出，在特定工況下可以高于額定轉(zhuǎn)速調(diào)速運(yùn)行。伺服拖動(dòng)系統(tǒng)基本構(gòu)成見圖1。

不足：

①控制較復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)器參數(shù)需要現(xiàn)場調(diào)整PID參數(shù)確定，需要更多的連線。

（3）雙功率電動(dòng)機(jī)

在結(jié)構(gòu)上與Y系列電動(dòng)機(jī)相似，區(qū)別在于利用單槽內(nèi)下入單線“引出多組頭”，通過在多組頭之間改變接線方式，即實(shí)現(xiàn)了“雙極雙速”。該電動(dòng)機(jī)沿用了高轉(zhuǎn)差率的特性，利用降低轉(zhuǎn)速來達(dá)到提高扭矩實(shí)現(xiàn)降低裝機(jī)機(jī)座號（裝機(jī)功率）的目的?，F(xiàn)場應(yīng)用中速度的轉(zhuǎn)換，需要停機(jī)靠人工實(shí)施轉(zhuǎn)換。

優(yōu)勢：

①解決啟動(dòng)問題，可以用小容量的電動(dòng)機(jī)取代大容量的普通電動(dòng)機(jī)，降低電動(dòng)機(jī)損耗；

②節(jié)電效果效果明顯；

③由于其速度可以調(diào)整給抽油機(jī)井的調(diào)參工作帶來了方便。

不足：

①在一個(gè)固定的功率下運(yùn)行，無法實(shí)現(xiàn)機(jī)采井運(yùn)行負(fù)載與電動(dòng)機(jī)輸出負(fù)載間的合理匹配，影響了其電動(dòng)機(jī)功能的發(fā)揮；

②由于轉(zhuǎn)差率高的緣故，在運(yùn)行過程中易出現(xiàn)丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2 節(jié)能電動(dòng)機(jī)的更新原則

2.1 拖動(dòng)裝置節(jié)能的理論基礎(chǔ)

抽油機(jī)井節(jié)能在理論上所追求的是“抽油機(jī)井的機(jī)械特性與電動(dòng)機(jī)特性間的合理匹配”，真正實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井運(yùn)行負(fù)載與電動(dòng)機(jī)輸出負(fù)載間的合理匹配。

2.2 更新節(jié)能電動(dòng)機(jī)的原則

選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)要綜合考慮，首先確定電動(dòng)機(jī)的類型，然后再選擇電動(dòng)機(jī)的功率，最后需要考慮的是投資問題。

（1）節(jié)能電動(dòng)機(jī)類型的選擇

如何選擇合適的電動(dòng)機(jī)類型，涉及到各種類型的電動(dòng)機(jī)在游梁式抽油機(jī)上工作特性的評價(jià)。應(yīng)對抽油機(jī)井實(shí)際工況進(jìn)行具體分析后，才能做出較為合理的選擇。從以下幾個(gè)方面進(jìn)行比較：

①電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能，要求其配套的拖動(dòng)裝置應(yīng)具備較軟的啟動(dòng)特性；

②電動(dòng)機(jī)的過載性能力；

③電動(dòng)機(jī)的節(jié)電效果。

（2）額定功率、最大扭矩的選擇

抽油機(jī)輸入的功率就是電動(dòng)機(jī)必須輸出的功率，抽油機(jī)系統(tǒng)的特性和功率要求隨不同電動(dòng)機(jī)的選用而變化。電動(dòng)機(jī)的選擇首先應(yīng)滿足功率的要求，一般來說，最大泵徑工況的功率需求總是最大的，可按可能使用的最大泵徑、光桿最大沖程、抽油機(jī)最高沖速與由減速箱許用扭矩和額定懸點(diǎn)載荷確定的最大井深等參數(shù)計(jì)算所需功率，電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇應(yīng)大于抽油機(jī)可能需求的最大功率，并要留有一定的余量。配備抽油機(jī)用電動(dòng)機(jī)時(shí)除了滿足功率要求外，還應(yīng)滿足最大扭矩的要求，即傳到電動(dòng)機(jī)軸上的最大扭矩不應(yīng)當(dāng)超過電動(dòng)機(jī)允許的最大扭矩[2]。設(shè)減速箱曲柄最大扭矩為Τmax，電動(dòng)機(jī)的最大扭矩為Τdmax，則有

式中：

i——為從電動(dòng)機(jī)到減速箱曲柄軸的傳動(dòng)比；

ηm——為從電動(dòng)機(jī)到減速箱曲柄軸的傳動(dòng)效率。

（3）抽油機(jī)拖動(dòng)裝置的選擇方法

在選擇抽油機(jī)拖動(dòng)裝置時(shí)，我們應(yīng)滿足抽油機(jī)曲柄旋轉(zhuǎn)扭矩的需求，因此選擇時(shí)必須要考慮電動(dòng)機(jī)的扭矩。抽油機(jī)拖動(dòng)裝置的選擇方法，依據(jù)凈扭矩曲線計(jì)算其均方根扭矩Τe。

式中：

Τe——均方根扭矩k N·M；

N——等分區(qū)間數(shù)；

Τni——瞬時(shí)扭矩值。

電動(dòng)機(jī)扭矩的計(jì)算方法：

式中：

M——電動(dòng)機(jī)扭矩N·m；

P——電動(dòng)機(jī)功率k W；

nd——電動(dòng)機(jī)名牌轉(zhuǎn)速r/min。

對于不同種類的抽油機(jī)其凈扭矩曲線的波動(dòng)情況存在差異，因此其均方根扭矩Τe的值是不同的。

3 常規(guī)Y系列電動(dòng)機(jī)節(jié)能改造

3.1 實(shí)施節(jié)能改造的必要性

為節(jié)約生產(chǎn)資金投入，提高油田開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益，對于更換下來的常規(guī)Y系列電動(dòng)機(jī)實(shí)施節(jié)能改造、重復(fù)利用有著深遠(yuǎn)的意義。

3.2 改造方式及原理

（1）伺服控制改造

改造過程中將原電動(dòng)機(jī)軸加軸套，連接編碼盤，安裝伺服控制柜，在平衡塊下方安裝極限開關(guān)。實(shí)現(xiàn)原電動(dòng)機(jī)整體保留，減少了閑置資產(chǎn)。

（2）雙功率改造

改造過程中將原定子線圈去除，重新在單槽內(nèi)下入雙線圈，實(shí)現(xiàn)了“雙繞組改造”。改造后的“雙繞組電動(dòng)機(jī)”需要配置專用控制柜，組合成“一體化”拖動(dòng)裝置。實(shí)現(xiàn)過程簡單，依據(jù)抽油機(jī)負(fù)載自動(dòng)實(shí)施匹配功率運(yùn)行，改造費(fèi)用低。

3.3 改造實(shí)施方案及效果

（1）常規(guī)電動(dòng)機(jī)改為伺服電動(dòng)機(jī)

在傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)上進(jìn)行伺服控制改造，節(jié)能效果比常規(guī)電動(dòng)機(jī)較好，但不及伺服永磁控制系統(tǒng)。

表1 伺服電動(dòng)機(jī)價(jià)格表

（2）常規(guī)電動(dòng)機(jī)改為雙功率電動(dòng)機(jī)

技術(shù)上是成熟的，改造費(fèi)用較低，節(jié)能效果較好，推薦選用。在改造過程中僅需要?jiǎng)佣ㄗ泳€圈，最大限度的保留了原電動(dòng)機(jī)的部件（若無損壞無須更換），因此其改造費(fèi)用低。

表2 實(shí)施雙繞組節(jié)能改造價(jià)格表

從上表中可以看出，電動(dòng)機(jī)的平均改造費(fèi)用與新的Y系列電動(dòng)機(jī)相比平均相差24000元，即可完成電動(dòng)機(jī)的雙繞組改造，配備專用的控制柜平均需費(fèi)用為5000元。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

依據(jù)采油六廠現(xiàn)場實(shí)際測試結(jié)果，實(shí)施伺服控制改造的投資回收期為39個(gè)月；而實(shí)施雙功率改造的投資回收期僅為12個(gè)月。

表3 投入產(chǎn)出效果分析表

從表中看出，常規(guī)電動(dòng)機(jī)改為雙功率電動(dòng)機(jī)比伺服控制改造回收期提前27個(gè)月。因此建議在維修損壞電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)盡量改為雙功率一體化，同時(shí)結(jié)合節(jié)能方案進(jìn)一步加大常規(guī)電動(dòng)機(jī)改為雙功率一體化的規(guī)模。

5 結(jié)論

（1）節(jié)能電動(dòng)機(jī)依據(jù)抽油機(jī)負(fù)載實(shí)現(xiàn)逐級匹配時(shí)，必須要作到理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)情況的結(jié)合，追求其最佳匹配效果。

（2）常規(guī)電動(dòng)機(jī)在節(jié)能改造中應(yīng)追求經(jīng)濟(jì)、高效、實(shí)用的原則。

（3）伺服控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制和快速響應(yīng)特性對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，可以合理地協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)行狀態(tài)，有效降低系統(tǒng)能耗。

[1]白連平.關(guān)于游梁式抽油機(jī)用電動(dòng)機(jī)節(jié)能討論[J].石油機(jī)械,1999(3).

[2]黃超,等.游梁式抽油機(jī)運(yùn)行狀況及節(jié)電動(dòng)機(jī)理研究[J].石油礦場機(jī)械,1999,28(4):9-12.

[3]孫世明,等.抽油機(jī)耗電理論與試驗(yàn)研究[J].石油機(jī)械,1989.17(12):8-13.

[4]戈璜.交流伺服異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)的研究.石油鉆采工藝,2005.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.05.004

洪微微，2008年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院，從事油田節(jié)能方案設(shè)計(jì)工作，E-mail： dqhongweiwei@petrochina.com.cn，，地址：黑龍江省大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠工程技術(shù)大隊(duì)，163000。

2011-12-16)