抽油機(jī)用電動(dòng)機(jī)節(jié)電特性試驗(yàn)研究

馮子明，張金東，顧慧彬，王麗麗

（東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶163318）

游梁式抽油機(jī)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易損件少、可靠性高、耐久性好、操作維修方便等優(yōu)點(diǎn)，一直處于有桿采油設(shè)備的主導(dǎo)地位，約占總數(shù)的75%。據(jù)統(tǒng)計(jì)：油田生產(chǎn)成本的1／3為電能消耗，目前我國(guó)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的總裝機(jī)容量在3 500MW以上，年耗電超過(guò)100億kW·h，而且電機(jī)普遍負(fù)載率小、效率低，嚴(yán)重影響油田的綜合開(kāi)發(fā)效益。

1993年，湯淑文［1］通過(guò)考慮抽油機(jī)載荷波動(dòng)特性和啟動(dòng)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過(guò)回歸分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論：電動(dòng)機(jī)名義功率利用率不宜高于35%；當(dāng)電機(jī)額定功率大于5倍光桿功率時(shí)，最好更換電機(jī)。陳俊?。?］試驗(yàn)研究了JQ2和Y系列電動(dòng)機(jī)負(fù)載率與效率的關(guān)系，并給出大致的高效工作區(qū)域。劉宏［3］以載荷波動(dòng)因數(shù)（CLF）為判斷抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)，并劃分了不同轉(zhuǎn)差率電機(jī)與CLF的匹配關(guān)系。段秉紅［4］通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行機(jī)械特性與抽油機(jī)負(fù)載特性研究，建立了抽油機(jī)和電動(dòng)機(jī)配套選擇的模板，并給出了簡(jiǎn)易算法。以上科研工作者的成果都已得到應(yīng)用并具有良好的效果，但是目前抽油機(jī)用拖動(dòng)電機(jī)種類(lèi)越來(lái)越多，其負(fù)載率與節(jié)電率的關(guān)系是不同的［5］。因此，有必要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)研究抽油機(jī)用電動(dòng)機(jī)的性能。本文選擇三相異步、雙功率和高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，以模擬井為試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)及計(jì)算方法

試驗(yàn)選用大慶油田采油工程研究院的模擬試驗(yàn)井，井深1 000m，抽油機(jī)為CYJ10－3－37HB型，循環(huán)介質(zhì)為水。動(dòng)液面、沖次、沖程、泵徑、桿徑、泵掛等抽汲參數(shù)均為可調(diào)。測(cè)試儀器包括3169型功率轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)試儀、示功圖測(cè)試儀及動(dòng)液面測(cè)試儀?？蓽y(cè)試參數(shù)包括；電動(dòng)機(jī)輸入電參數(shù)（電壓、電流、有功、無(wú)功、功率因數(shù)等）；電機(jī)輸出軸、減速箱輸入輸出軸的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；懸點(diǎn)位移與載荷等。試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)包括Y、YS、YCCH等系列，例如Y37kW，Y22 kW，YS55／37／22，YH22kW 等。

相關(guān)計(jì)算公式如下：

負(fù)載率為

綜合節(jié)電率為

式中：P為平均功率；Pe為額定功率；Q為無(wú)功功率；0.08為無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量值（詳見(jiàn) GB／T12497—2006）；下角標(biāo)1為原電機(jī)、2為更換后電機(jī)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換為.xls格式，其中數(shù)據(jù)的差值用Origin軟件完成，用Excel處理繪圖。

2 測(cè)試結(jié)果與討論

2.1 三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)對(duì)比

三相異步電動(dòng)機(jī)由37kW更換為22kW后計(jì)算結(jié)果如表1～4所示。當(dāng)大功率電機(jī)（37kW）平均負(fù)載率較低時(shí)，換用小功率電機(jī)（22kW）后節(jié)電率和功率因數(shù)都有顯著提高，無(wú)功節(jié)電當(dāng)量對(duì)綜合節(jié)電率的增益相對(duì)穩(wěn)定，保持在一定范圍。當(dāng)37 kW電機(jī)平均負(fù)載率達(dá)到大約25%以上，更換22 kW電機(jī)后，幾乎見(jiàn)不到有功功率的節(jié)電效果，此時(shí)說(shuō)明已經(jīng)沒(méi)有節(jié)電空間，即單從節(jié)電的角度已經(jīng)沒(méi)有電機(jī)“降檔”的必要，但此時(shí)功率因數(shù)會(huì)得到顯著提高，即無(wú)功功率顯著降低。

表1 電機(jī)負(fù)載率與節(jié)電率關(guān)系

表2 電機(jī)更替前后無(wú)功功率降低率

表3 電機(jī)更替前后峰值電流對(duì)比

表4 更換電機(jī)前后各節(jié)點(diǎn)測(cè)試參數(shù)變化

通常，小功率電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率稍大（如圖1），更換小功率電機(jī)后具有一定降載效果，按電機(jī)輸入功率、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、減速箱輸出轉(zhuǎn)矩的次序，降低幅度越來(lái)越小，這是抽油機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量影響的結(jié)果。

圖1 轉(zhuǎn)差率曲線對(duì)比

但是很難總結(jié)懸點(diǎn)載荷降低的變化規(guī)律，這是因?yàn)閼尹c(diǎn)載荷既受速度影響，又受加速度影響，而二者作用效果恰好相反。當(dāng)平均負(fù)載率較小時(shí)，更換小功率電機(jī)后電流峰值有較大幅度的降低，當(dāng)負(fù)載率越大，兩者電流峰值越接近。

2.2 高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)對(duì)比分析（如表5～6）

更換小功率的高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)后，有功節(jié)電率一般為負(fù)值，這是因?yàn)楦咿D(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)靠增加電阻值來(lái)提高轉(zhuǎn)差率，因此會(huì)耗費(fèi)更多的電功率，但其功率因數(shù)會(huì)得到顯著的提高。高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)（特別是超高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)）降載的能力較好，電機(jī)端測(cè)得的轉(zhuǎn)矩峰值降低顯著，但是由于對(duì)懸點(diǎn)載荷峰值變化影響因素較多，難量化高轉(zhuǎn)差率對(duì)懸點(diǎn)降載增益，試驗(yàn)樣本少則很難統(tǒng)計(jì)出影響規(guī)律。

當(dāng)用高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)做拖動(dòng)系統(tǒng)后，常規(guī)的平衡調(diào)整方式會(huì)有較大誤差，此時(shí)電機(jī)端輸入電流變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于減速箱端的轉(zhuǎn)矩變化，因此常規(guī)調(diào)參方法需要修正，建議用轉(zhuǎn)差率來(lái)修正平衡調(diào)整。

表5 負(fù)載率與節(jié)電率

表6 無(wú)功功率對(duì)比

2.3 雙功率電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)對(duì)比分析（如表7～9）

雙功率電動(dòng)機(jī)類(lèi)似于單功率Y系列電機(jī)，但是由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其節(jié)電效果要比普通Y系列電機(jī)要差。在37kW電機(jī)負(fù)載率大于20%時(shí)，替換的雙功率電機(jī)已經(jīng)不再節(jié)能。雙功率電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)相對(duì)較高，其無(wú)功功率較小，有益于綜合節(jié)電率。雙功率電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能好，并能雙功率工作，適用特殊場(chǎng)合，例如深井、稠油、易結(jié)蠟等。

表7 電流峰值對(duì)比

表8 無(wú)功功率對(duì)比

表9 負(fù)載率與節(jié)電率

3 結(jié)論

1） 當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率較小時(shí)，電機(jī)降檔具有節(jié)電效果，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率達(dá)到一等程度后，不建議更換小功率電動(dòng)機(jī)。

2） 高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)很難有節(jié)能效果，但可以降低電機(jī)和減速箱轉(zhuǎn)矩，但懸點(diǎn)載荷降低率幅度沒(méi)有前兩者明顯。

3） 雙功率電動(dòng)機(jī)具有三相異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，并可通過(guò)換擋提高電機(jī)啟動(dòng)性能，建議油田抽油機(jī)多用雙功率電動(dòng)機(jī)。

［1］湯淑文，張 武.在用抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇［J］.油氣田地面工程，1993，12（6）：62－64.

［2］陳俊俊，孫繼軍.電機(jī)最佳運(yùn)行時(shí)效率和負(fù)載率的實(shí)驗(yàn)研究［J］.冶金能源，1998，17（3）：48－50.

［3］劉 宏，王素玲，張紅瑛，等.電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與抽油機(jī)載荷特性的合理匹配［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，26（2）：87－89.

［4］段秉紅，張基春.游梁式抽油機(jī)和電動(dòng)機(jī)配套選擇模版研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（6）：17－21.

［5］李艷琴，侯尉生，田樹(shù)貴，等 .永磁同步電機(jī)在石油鉆機(jī)上的應(yīng)用探討［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（3）：89－91.