應(yīng)用電動機(jī)最大扭矩法更換節(jié)能電動機(jī)的設(shè)計(jì)方法

李春瑜　朱榮杰　（大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠）

應(yīng)用電動機(jī)最大扭矩法更換節(jié)能電動機(jī)的設(shè)計(jì)方法

李春瑜朱榮杰（大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠）

計(jì)算抽油機(jī)啟動過程電動機(jī)峰值扭矩與運(yùn)轉(zhuǎn)過程電動機(jī)平均扭矩的比值作為節(jié)能電動機(jī)選型設(shè)計(jì)的依據(jù)，詳細(xì)介紹選型的設(shè)計(jì)過程，并通過計(jì)算實(shí)例和批量應(yīng)用作為驗(yàn)證；應(yīng)用電動機(jī)最大扭矩法可以消除電動機(jī)因轉(zhuǎn)速不一帶來的計(jì)算干擾，可作為老井列換節(jié)能電動機(jī)時(shí)的設(shè)計(jì)選型方法。

電動機(jī)；最大扭矩；比值；設(shè)計(jì)

在抽油機(jī)設(shè)計(jì)匹配電動機(jī)容量時(shí)，為滿足抽油機(jī)的啟動負(fù)載需求，通常配備較大的裝機(jī)功率，這種方法雖然可以滿足電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩需求，但也增加了電動機(jī)的自身功率損耗，使其運(yùn)行效率降低，造成抽油機(jī)負(fù)荷不足。近年，在更新節(jié)能電動機(jī)時(shí)通常采用降低1個(gè)電動機(jī)機(jī)座號的經(jīng)驗(yàn)方法，這種方法缺乏足夠的理論支持，無法實(shí)現(xiàn)單井的個(gè)性化設(shè)計(jì)。筆者曾于2011年第2期刊物上發(fā)表了《應(yīng)用抽油機(jī)井電動機(jī)扭矩曲線計(jì)算減速箱扭矩曲線》一文，但該文并沒有介紹應(yīng)用最大扭矩設(shè)計(jì)節(jié)能電動機(jī)的方法。在本文中，將就這一方面的問題進(jìn)行探討。

1　電動機(jī)輸出軸扭矩的計(jì)算方法

通常情況下，抽油機(jī)在正常運(yùn)行過程中消耗的有功功率并不大，為什么要選用較大功率的電動機(jī)呢？其原因在于抽油機(jī)啟動過程中需要較大的啟動扭矩，這個(gè)啟動扭矩需要由電動機(jī)提供。從電動機(jī)到抽油機(jī)減速箱輸出軸的傳動效率不可人為改變，因而抽油機(jī)啟動過程中作用于抽油機(jī)減速箱輸出軸的啟動扭矩，通過齒輪傳動、帶傳動，以電動機(jī)輸出軸扭矩的形式表現(xiàn)出來。

電動機(jī)靠軸傳動，它的輸出功率與輸出扭矩之間同樣遵循軸傳動的功率與扭矩之間的關(guān)系，輸出軸扭矩的計(jì)算公式[1]為

式中：M——電動機(jī)輸出軸扭矩消耗功率瞬時(shí)值，kN·m；

P——電動機(jī)消耗功率瞬時(shí)值，kW；

n——電動機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，r/min。

2　電動機(jī)啟動峰值扭矩與運(yùn)行過程平均扭矩的計(jì)算

通過公式（1）對24口井啟動峰值扭矩和電動機(jī)平均運(yùn)轉(zhuǎn)扭矩進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1　啟動峰值扭矩和電動機(jī)平均運(yùn)轉(zhuǎn)扭矩計(jì)算結(jié)果

由表1可知，電動機(jī)啟動過程峰值扭矩是電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程峰值扭矩的5.57～5.99倍，平均為5.77倍。

3　選用啟動峰值扭矩法設(shè)計(jì)節(jié)能電動機(jī)

通常情況下，采油廠系統(tǒng)效率測試上傳數(shù)據(jù)只有平均功率，可以計(jì)算得到電動機(jī)的平均運(yùn)行扭矩，因而可以利用啟運(yùn)峰值扭矩與平均運(yùn)行扭矩的比值進(jìn)行老井電動機(jī)選型設(shè)計(jì)；而啟運(yùn)峰值扭矩與運(yùn)行峰值扭矩的比值則可用于新井電動機(jī)選型設(shè)計(jì)[2]。由于目前選用電動機(jī)相當(dāng)多的數(shù)量是高轉(zhuǎn)差電動機(jī)，它與相同極數(shù)的普通Y系列電動機(jī)轉(zhuǎn)速相差較大，因而在相同功率時(shí)電動機(jī)提供的扭矩相差也較大；因此，選取扭矩法進(jìn)行設(shè)計(jì)則完全可以回避轉(zhuǎn)速問題。

錄取資料：原井電動機(jī)型號、額定功率、額定轉(zhuǎn)速、原井系統(tǒng)效率測試數(shù)據(jù)中的平均功率。

設(shè)計(jì)方法：計(jì)算原電動機(jī)平均運(yùn)行扭矩，計(jì)算公式如式（1）所示。當(dāng)電動機(jī)功率利用達(dá)到20%時(shí)，電動機(jī)效率可達(dá)到80%，之后呈線性上升；當(dāng)電動機(jī)功率利用達(dá)到40%時(shí)，電動機(jī)效率可以達(dá)到額定效率，因而電動機(jī)效率可按表2選擇。

表2　電動機(jī)工作效率選擇

計(jì)算最大扭矩：將計(jì)算得到的平均扭矩與設(shè)計(jì)倍數(shù)相乘（倍數(shù)選用6）。

確定電動機(jī)型號：按照預(yù)先選用的電動機(jī)查閱電動機(jī)過載能力系數(shù)和額定扭矩，以電動機(jī)過載能力系數(shù)和額定扭矩之積作為電動機(jī)最大扭矩，選取最大扭矩大于計(jì)算最大扭矩且機(jī)座號最小的電動機(jī)即可。

4　設(shè)計(jì)實(shí)例

以試驗(yàn)井1為例：該井機(jī)型為CYJY14-6-89HB，下入φ83 mm泵生產(chǎn)；沖程6 m，沖速5 min-1，產(chǎn)液62.4 t/d，含水98.5%，動液面345.31 m，沉沒度467.83 m，電流平衡率87.1%；安裝電動機(jī)型號為Y315M-8，電動機(jī)額定功率75 kW。該井更換電動機(jī)前測試曲線見圖1。

圖1　試驗(yàn)井1功率測試曲線

該井啟抽峰值功率135.55 kW，運(yùn)轉(zhuǎn)過程平均功率24.35 kW峰值功率60.15 kW，啟抽峰值功率是平均運(yùn)行功率的5.56倍，是運(yùn)行峰值功率的2.25倍。功率利用率32%，峰值功率利用率80%，因而選擇的電動機(jī)平均工作效率為85%，峰值工作效率為91%。

利用上述數(shù)據(jù)計(jì)算扭矩繪出的曲線見圖2。

圖2　試驗(yàn)井1計(jì)算扭矩曲線

該井電動機(jī)啟動峰值扭矩為1.602 6 kN·m，平均運(yùn)行扭矩0.269 0 kN·m，比值為5.96倍，按最大扭矩是平均運(yùn)行扭矩的6倍設(shè)計(jì)，計(jì)算扭矩為1.614 kN·m，預(yù)選電動機(jī)為6/8極高啟動轉(zhuǎn)矩雙速雙功率電動機(jī)，經(jīng)查DYG315L2-6/8，最大運(yùn)行扭矩1.754 1 kN·m。

安裝后，該井有功功率由24.35 kW下降到21.14 kW，有功節(jié)電率 13.18%；系統(tǒng)效率由10.03%上升到11.56%，系統(tǒng)效率上升15.18%。

應(yīng)用該方法共進(jìn)行了642口井的計(jì)算與設(shè)計(jì)，實(shí)踐證明，設(shè)計(jì)后的電動機(jī)均可滿足抽油機(jī)啟動要求，且有功節(jié)電率達(dá)11.03%，綜合節(jié)電率為12.14%，系統(tǒng)效率上升3.67百分點(diǎn)，提高12.51%。

5　結(jié)束語

1）應(yīng)用最大扭矩方法設(shè)計(jì)老井換電動機(jī)可避免因電動機(jī)轉(zhuǎn)速不一致帶來的計(jì)算對比問題。

2）應(yīng)用該方法共設(shè)計(jì)更換節(jié)能電動機(jī)642口井，實(shí)踐證明，設(shè)計(jì)的電動機(jī)均可滿足抽油機(jī)啟動要求，且收到一定的節(jié)能效果。

[1]張琪，采油工程原理與設(shè)計(jì)[M].北京：中國石油大學(xué)出版社，2000:52-72.

[2]邵海忠，最新使用電工手冊[M].北京：化工工業(yè)出版社，2000:28-35.

（編輯李發(fā)榮）

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.06.008

李春瑜，工程師，2007年畢業(yè)于東北石油大學(xué)，從事采油工程系統(tǒng)工作，E-mail：licy365@126.com，地址：黑龍江省大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠工程技術(shù)大隊(duì)，163001。

2016-01-15