游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)研究

王業(yè)開

【摘要】原油開采最主要的設(shè)備之一就是游梁式抽油機(jī)。電能的損耗主要是由于配電系統(tǒng)的功率因數(shù)偏低，歸根結(jié)底是因?yàn)槌橛蜋C(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中負(fù)載率和工作效率不高而導(dǎo)致的。對(duì)單臺(tái)抽油機(jī)進(jìn)行電容器的固定無(wú)功補(bǔ)償是目前通常采用的一種節(jié)能方式。本文提出了動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償和進(jìn)行Y—△轉(zhuǎn)換相結(jié)合的節(jié)能方案，主要是針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償方式的缺陷，利用實(shí)時(shí)檢測(cè)得到的系統(tǒng)負(fù)載率以及無(wú)功需求量來(lái)控制電容器的分組投切，實(shí)現(xiàn)了無(wú)功功率的“按需”補(bǔ)償，以此設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)跟蹤的無(wú)功補(bǔ)償裝置，取得了較為理想的補(bǔ)償效果。

【關(guān)鍵詞】抽油機(jī)節(jié)能 設(shè)計(jì) 裝置

1 引言

目前，應(yīng)用最普遍的石油開采機(jī)械之一就是抽油機(jī)，它的主要作用是完成采油任務(wù)，將原油從井底提升到地面上來(lái)。游梁式抽油機(jī)，在抽油機(jī)的各種類型中，占重要地位，約占油井人工舉升設(shè)備的95%，是油田使用最廣泛的一種舉升設(shè)備。此類設(shè)備是油田的耗電大戶，其用電量約占油田總用電量的40%，占油田總用電量的比例非常高，且總體效率僅在30%左右，效率很低，浪費(fèi)大量電能，采油的成本因此而提高。所以，本文重點(diǎn)就游梁式抽油機(jī)的節(jié)能作為研究方向進(jìn)行探討。目前我們通過(guò)游梁式抽油機(jī)的工作原理進(jìn)行深入分析，研究可通過(guò)Y-△轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)電機(jī)電壓相和無(wú)功補(bǔ)償結(jié)合的裝置來(lái)提高了電機(jī)效率和功率因素，減小電機(jī)損耗，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)節(jié)能，減少了能源的浪費(fèi)，這樣降低了電費(fèi)成本。

2 游粱式抽油機(jī)的節(jié)能總體設(shè)計(jì)思路

同時(shí)絕大部分的游梁式抽油機(jī)拖動(dòng)裝置都是交流三相異步電動(dòng)機(jī)，其中鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、慣量小、運(yùn)行可靠、維修少、堅(jiān)固、制造成本低及可應(yīng)用于惡劣工作環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，使其作為油梁式抽油機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，得到了廣泛的應(yīng)用。由于抽油機(jī)在工作時(shí)負(fù)荷匹配不合理，大多數(shù)電機(jī)處于輕載狀態(tài)，造成大量的電能浪費(fèi)，系統(tǒng)效率低下。因此，本文采用了一種以無(wú)功補(bǔ)償為主，并和Y 一△轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)電機(jī)電壓相結(jié)合的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的節(jié)能。通過(guò)對(duì)抽油機(jī)工作時(shí)的負(fù)載率的分析，確定電機(jī)是否處于重載狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)和高負(fù)載時(shí)功率因素的提高；同時(shí)通過(guò)補(bǔ)償電容器組的投切來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償，從而達(dá)到抽油機(jī)的節(jié)能。

3 游粱式抽油機(jī)的節(jié)能設(shè)計(jì)

目前，缺少一種可靠性高，節(jié)能幅度大且成本低，又能提高原油產(chǎn)量的節(jié)能方法。針對(duì)目前實(shí)際現(xiàn)狀，考慮到當(dāng)前的工人的技術(shù)素質(zhì)和管理水平以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，本次提出了一種Y—△轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)電機(jī)電壓并和以無(wú)功補(bǔ)償為主相結(jié)合的節(jié)能裝置，提高節(jié)能的可靠性，使得抽油機(jī)節(jié)能控制箱的使用和裝配相對(duì)變得簡(jiǎn)單。

3.1 Y—△轉(zhuǎn)換調(diào)壓的節(jié)能原理

由于三相異步電動(dòng)機(jī)的總損耗為：ΣP=P1-P2=Pfe+Pcu1+Pcu2+Pmac+Pad，其中，P為輸入電功率，P2為電機(jī)軸輸出功率。Pcu1為定子銅損耗，2 2Pcu1 = 3I1 R1式中I1為定子每相電流，R1為定子每相電阻值；Pcu2為轉(zhuǎn)子銅損耗，2 2Pcu2 = 3I′2 R′2 式中I′2、R′2為轉(zhuǎn)子每相的折算值；Pfe為電機(jī)的鐵芯損耗： 2fe mP =P1 50（f）β B50，式中P150 為鐵耗系數(shù)，其值范圍為1.05～2.50； β為頻率指數(shù)，隨硅鋼片的含硅量而異，其值范圍1.20～1.60；f為磁通交變頻率；Bm為鐵芯中磁通密度；Pmac為機(jī)械損耗。通常認(rèn)為其是大小不變的常量。由于Bm∞φ m∞E1 ≈ U1，可知鐵損耗Pfe正比于電機(jī)端電壓的平方。

Pad為附加損耗，主要由于定、轉(zhuǎn)子有齒槽存在，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)磁通發(fā)生脈振而在定轉(zhuǎn)子鐵芯中產(chǎn)生附加損耗，其大小也與磁通密度大小成正比。

從上述可以看出，若要提高電機(jī)的運(yùn)行效率η，則必須降低ΣP。而降低電機(jī)端電壓可以使鐵損耗大為降低，降低電機(jī)線電流，則可減少銅耗，從而使效率η 增加。

3.2 無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓?jié)能原理及方案確定

游梁式抽油機(jī)的異步電機(jī)可看作電阻R 與電感L 串聯(lián)的電路并聯(lián)電容后電壓U與I的相位差變小了，即供電回路的功率因數(shù)提高了。此時(shí)供電電流I的相位滯后于電壓U，這種情況稱為欠補(bǔ)償。電C的容量過(guò)大，使得電流I的相位超前于電壓U，這種情況稱作過(guò)補(bǔ)償，此時(shí)會(huì)引起變壓器二次電壓升高，而且容性無(wú)功功率在線路上傳輸也會(huì)增加電能損耗。同時(shí)電壓升高還會(huì)增大電容器本身的功率損耗，使溫度上升，影響電容器的壽命。對(duì)電機(jī)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，可以大大減少起動(dòng)電流和運(yùn)行電流，減少損耗，并且相關(guān)電氣設(shè)備溫度降低、噪音減少，可以延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒ê芏?，本次設(shè)計(jì)是從提高功率因數(shù)的方面來(lái)確定是否需要進(jìn)行補(bǔ)償。在前面論述過(guò)，當(dāng)前系統(tǒng)如果處于過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)負(fù)載應(yīng)為容性。如果過(guò)補(bǔ)償容量在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，那么當(dāng)前電機(jī)的功率因數(shù)絕對(duì)值應(yīng)該比期望的功率因數(shù)絕對(duì)值大，可以不采取任何措施；如果過(guò)補(bǔ)償容量超出系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，那么當(dāng)前電機(jī)的功率因數(shù)絕對(duì)值肯定比期望的功率因數(shù)絕對(duì)值小，此時(shí)，則應(yīng)該切除當(dāng)前補(bǔ)償?shù)碾娙菖c系統(tǒng)達(dá)到理想的功率因數(shù)為1的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)相比多補(bǔ)償?shù)娜萘?。如果需要進(jìn)行電容補(bǔ)償，那系統(tǒng)負(fù)載應(yīng)處在感性時(shí)。不需要進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)那疤釛l件是當(dāng)前功率因數(shù)值大于期望功率因數(shù)值；需要進(jìn)行無(wú)功容量補(bǔ)償，說(shuō)明當(dāng)前功率因數(shù)小于期望功率因數(shù)。

在抽油機(jī)正常工作狀態(tài)下，會(huì)遇到大量的干擾，容易造成控節(jié)能制器頻繁發(fā)出補(bǔ)償與切除電容的指令。因此，為了避免電容的頻繁投切而產(chǎn)生投切震蕩，可以使控制器在軟件上采取連續(xù)多次計(jì)算結(jié)果取平均值的方法來(lái)避免電容的頻繁投切。具體方法如下：

首先確定一個(gè)負(fù)載率的上限基礎(chǔ)值，使得節(jié)能控制器發(fā)現(xiàn)負(fù)載率大于此值后執(zhí)行補(bǔ)償程序，若實(shí)際負(fù)載率小于此值后，則不執(zhí)行補(bǔ)償程序，因此可以認(rèn)為這個(gè)負(fù)載率的基礎(chǔ)值為執(zhí)行補(bǔ)償程序的起點(diǎn)；其次，在確定實(shí)際負(fù)載率大于設(shè)定值后啟動(dòng)補(bǔ)償程序，連續(xù)進(jìn)行5 至10 次的測(cè)量計(jì)算，求得的平均值作為電容投切的指令；最后，不僅要關(guān)注實(shí)際負(fù)載率大于上限設(shè)定值，而且還要關(guān)注實(shí)際負(fù)載率小于下限設(shè)定值時(shí)的情況。

通過(guò)上述兩節(jié)的論述，介紹了游梁式抽油機(jī)節(jié)能裝置的節(jié)能原理，并提出了Y—△轉(zhuǎn)換控制和無(wú)功補(bǔ)償相結(jié)合的節(jié)能方案，為接下來(lái)的硬件及軟件設(shè)計(jì)做好了鋪墊。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過(guò)對(duì)抽油機(jī)的負(fù)載特性較為詳細(xì)的分析以及對(duì)游梁式抽油機(jī)節(jié)能和無(wú)功補(bǔ)償進(jìn)行深入研究，提出了以無(wú)功補(bǔ)償為主并結(jié)合Y-△轉(zhuǎn)換節(jié)能的控制策略，但仍有一些工作需要完善。

參考文獻(xiàn)

[1] 蕭南平.游梁抽油機(jī)節(jié)能新途徑和節(jié)能蓄能器[J].石油機(jī)械，19 9 6，2 4（7 ）