游梁式抽油機(jī)井電機(jī)發(fā)電狀態(tài)問題分析及治理

王竺，梁健美，侯志欣

大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠 ，黑龍江 大慶 163517

一、問題的提出

現(xiàn)場對游梁式抽油機(jī)井進(jìn)行能耗監(jiān)測時(shí)發(fā)現(xiàn)，測試電機(jī)的有功功率會(huì)出現(xiàn)周期性的負(fù)值，而此時(shí)三相電流仍顯示為正值。利用機(jī)械式有功電能表進(jìn)行測試，電能表會(huì)出現(xiàn)周期性的“反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，由此判斷這種負(fù)功功率是電機(jī)發(fā)電所致的。

從1#井測試一個(gè)沖程周期內(nèi)的有功功率（圖1）、三相電流和電壓（圖2）的變化曲線上看，電壓恒定，有功功率分別在上、下沖程中出現(xiàn)了負(fù)值，說明該井存在電機(jī)發(fā)電狀態(tài)，而此時(shí)的三項(xiàng)電流仍顯示為正值。

從2#井測試3min的有功功率（圖3）、三相電流和電壓（圖4）的變化曲線上看，電壓恒定，有功功率在每個(gè)波形周期中都出現(xiàn)了負(fù)值，而三相電流仍顯示為正值，測試該井的電流平衡率為90%左右，通過電流法測算，該井處于平衡狀態(tài)。

2012年對葡萄花油田556口游梁式抽油機(jī)井進(jìn)行了抽測（表1），其中有404口井存在負(fù)功功率，存在電機(jī)發(fā)電，占抽測井?dāng)?shù)的72.7%，平均單井負(fù)功功率0.45kW。

表1 游梁式抽油機(jī)井抽測情況統(tǒng)計(jì)

二、電機(jī)發(fā)電狀態(tài)分析

產(chǎn)生負(fù)功功率的原因是由于游梁式抽油機(jī)井在重載狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)從電網(wǎng)汲取了過多的能量，這部分能量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)慣性能儲(chǔ)存于平衡塊中；當(dāng)游梁式抽油機(jī)在輕載狀態(tài)下時(shí)（圖5和圖6），平衡塊將這部分能量釋放出來，驅(qū)使電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速超過了電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了反向切割定子的磁力線，產(chǎn)生了反向制動(dòng)電流，此時(shí)電機(jī)處于正向反饋制動(dòng)狀態(tài)，使機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，此時(shí)電動(dòng)機(jī)就變成了1臺(tái)發(fā)電機(jī)。

圖1 1#井有功功率變化曲線

圖2 1#井三相電流和電壓變化曲線

圖3 2#井有功功率變化曲線

圖4 2#井三相電流和電壓變化曲線

由于電機(jī)在游梁式抽油機(jī)的拖動(dòng)下轉(zhuǎn)速不定，所發(fā)電的頻率和相位不能達(dá)到電網(wǎng)要求，從而會(huì)“污染”電網(wǎng)，造成電網(wǎng)供電不穩(wěn)定，加重電網(wǎng)在無功功率上的負(fù)擔(dān)，降低電網(wǎng)的功率因數(shù)。這種狀態(tài)使電機(jī)處于空載運(yùn)行，造成了電能的浪費(fèi)，同時(shí)增加了電機(jī)的自身損耗，縮短了電機(jī)的使用壽命。

圖5 電機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)

圖6 電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)狀態(tài)

三、技術(shù)對策

目前，葡萄花油田針對電機(jī)發(fā)電狀態(tài)的解決方案共有3種，具體技術(shù)的原理和效果如下。

1.功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置

功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置為變頻控制技術(shù)的一種，該技術(shù)是通過提高電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，讓旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速≥電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，在消除電機(jī)發(fā)電狀態(tài)，降低電機(jī)無功損耗的同時(shí)，借助游梁式抽油機(jī)平衡塊的慣性作用，降低抽油機(jī)負(fù)載對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的需求，從而降低電機(jī)的功率消耗。2011年現(xiàn)場應(yīng)用50口井，跟蹤對比電參數(shù)31口井（表2），平均單井負(fù)功功率由0.404kW降為0。

表2 電參數(shù)效果對比

2.超越離合器

圖7 超越離合器

超越離合器的結(jié)構(gòu)有點(diǎn)類似自行車的飛輪，主要由皮帶輪和單向離合器兩大部分組成。超越離合器（圖7）安裝在電機(jī)輸出軸上，當(dāng)從電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速超過電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速時(shí)，超越離合器的棘爪自動(dòng)分開，使皮帶與電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)形成瞬間的脫離，此時(shí)電機(jī)空載運(yùn)行，曲柄、平衡塊與抽油桿柱發(fā)生短暫的超越或加快；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速時(shí)，超越離合器的棘爪嚙合，使電機(jī)保持正常的傳動(dòng)狀態(tài)。2009～2011年現(xiàn)場應(yīng)用33口井，平均單井負(fù)功功率由0.631kW降為0（表3）。

表3 試驗(yàn)井能耗效果對比表

3.智能化多功能調(diào)速裝置

智能化多功能調(diào)速裝置屬于變頻調(diào)速裝置，它是通過制動(dòng)單元，將電機(jī)的發(fā)電狀態(tài)消除的。制動(dòng)單元全稱為“變頻器專用型能耗制動(dòng)單元”或“變頻器專用型能量回饋單元”，主要是將電機(jī)所產(chǎn)生的再生電能，通過制動(dòng)電阻轉(zhuǎn)換成熱能散發(fā)出去，或者是將再生電流反饋回電路。2012年現(xiàn)場應(yīng)用智能化多功能調(diào)速裝置84口井，應(yīng)用后（表4）平均單井有功節(jié)電率17.8%，無功節(jié)電率67.9%，綜合節(jié)電率24.5%，負(fù)功功率由0.47kW降為0。

表4 智能化多功能調(diào)速裝置電參數(shù)效果對比

[1]張興戰(zhàn).抽油機(jī)井電機(jī)發(fā)電淺析[J].油氣田地面工程.2006， 25(7):43.

[2]胡述龍.舒干.抽油機(jī)工作中電動(dòng)機(jī)發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)分析[J].石油機(jī)械.2003，31(9):12-14.

[3]孫曉麗.功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置的應(yīng)用效果分析[J].石油石化節(jié)能.2012，2(11):15-18.

[4]侯志欣.張雅春.離合器技術(shù)在抽油機(jī)中的應(yīng)用[J].石油石化節(jié)能.2012，2(10):21-22.

[5]姜濤.袁結(jié)連.李軍等.超越離合器在游梁抽油機(jī)上的應(yīng)用研究[J].河南石油.2006，20(2):73-74.