抽油機電機損耗原因分析與節(jié)能增效對策探究

李國強+謝雪瑩+劉偉+萬洪波+耿鵬鵬

摘要：游梁式抽油機是油田目前主要使用的抽油機類型之一，主要由了驢頭-游梁-連桿-曲柄機構(gòu)、減速箱、動力設(shè)備和輔助裝備等四大部分組成。抽油機使用的電動機工作載荷是帶沖擊的周期性交變載荷，與按恒定載荷設(shè)計制造的通用電動機的工作特征不匹配。通用電動機的機械特征是硬特征，在運行過程中其轉(zhuǎn)速隨載荷變化不大，而抽油機的交變載荷增加了電動機的電動損耗，再加上選擇的抽油機與實際需要不匹配，降低了整機的地面效率。分析抽油機的用電特征，根據(jù)每臺抽油機具體的“癥結(jié)”所在，綜合考慮制定出相應(yīng)的節(jié)電措施，實現(xiàn)其經(jīng)濟運行。

關(guān)鍵詞：三相異步電動機；抽油機；變頻調(diào)速；節(jié)能增效

目前油田進常用的三相異步電動機，在理想情況下的效率為90%左右，且大多功率因數(shù)小于0.4，所配的電動機裝機功率較大，而電動機正常運行時都是輕載運行，造成抽油機負載率低，與電動機不匹配，形成“大馬拉小車”的生產(chǎn)狀況，浪費電力嚴重。針對油田游梁式抽油機結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，使用維護方便，適應(yīng)現(xiàn)場工況，是油田的首選設(shè)備。隨著油田進入開發(fā)中后期，如何打造油井電動機的節(jié)能增效是一項重要任務(wù)。本文根據(jù)工作實踐，從現(xiàn)狀出發(fā)，提出了一套具有實用意義的電機節(jié)能增效措施，具有重要的參考意義及推廣價值。

1 電機帶動抽油機存在問題

1.1發(fā)電現(xiàn)象

現(xiàn)有的節(jié)電措施大都是針對電機低負荷率下效率低和功率因數(shù)低造成的電能浪費的情況，而抽油機浪費電能的另一個重要原因是抽油機拖動電機發(fā)電，有實驗證明：目前使用的各種類型的電動機都多少存在這種情況。由于抽油機負載波動很大，在抽油機的正常運轉(zhuǎn)中會出現(xiàn)抽油機減速箱輸入軸的運轉(zhuǎn)速度大于電機對它的驅(qū)動速度的情況，這時，抽油機就拖動電機發(fā)電，其發(fā)的電不會完全與電網(wǎng)同步和存在線路損耗，可以肯定電機發(fā)的電不能完全被電網(wǎng)利用。在整個電能—機械能—電能的轉(zhuǎn)換過程中能有很大的一部分能量被浪費掉。

1.2電動機負載低

為保證抽油機的啟動要求和在運行時有足夠的過載能力，通常所配的電動機裝機功率較大，而電動機正常運行時都是輕載運行，造成抽油機負載率低，與電動機不匹配，形成“大馬拉小車”的生產(chǎn)狀況，使線路、變壓器、電動機的功率損耗增大；電動機的運行效率取決于負載率，輕載時電動機的效率很低，當負載增加到一定值時，變化則很小，有實驗證明：負載率〈0.4時，效率的變化不大，負載率>0.7時，效率最高。當電動機負荷很低時，電動機仍要從電網(wǎng)吸取較大的無功功率，從而降低了功率因數(shù)，這就是目前電機功率因數(shù)低的主要原因。

1.3平衡率低

現(xiàn)場使用的抽油機平衡率低，嚴重的不平衡造成電力的浪費，造成多數(shù)電動機電流變化不均勻，使電動機內(nèi)耗大大增加，影響整個抽汲系統(tǒng)的效率。

2 抽油機節(jié)能特點和應(yīng)用

常規(guī)型游梁式抽油機工作特點是承受交變載荷，懸點運動速度和加速度的變化使載荷極不均勻，工作能耗偏高，不平衡現(xiàn)象普遍存在，地面系統(tǒng)效率偏低，用電多。異向型游梁式抽油機具有峰值扭矩低、所需電動機功率低等特點，運轉(zhuǎn)時平衡效果較好。在相同的情況下，其系統(tǒng)效率比常規(guī)型高2.5-4%。前置式游梁抽油機具有平衡效果好、光桿最大載荷小、節(jié)能效果好等特點。其缺點是懸點載荷低于額定懸點載荷，造成抽油機資源的浪費，工作時前沖力大，影響機架的穩(wěn)定性，使它的應(yīng)用受到制約?，F(xiàn)場應(yīng)用的節(jié)能電動機主要有：變級調(diào)速、電磁調(diào)速電機（滑差電機）、變頻調(diào)速、高轉(zhuǎn)差率電機、永磁同步電機、雙功率電機幾種，下面對它們的特性和現(xiàn)場應(yīng)用情況做一簡單陳述。變頻調(diào)速可以低速輕載啟動，抽油機沖次及上下沖程的速比可實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，可以根據(jù)油井井況進行抽空控制，自動調(diào)節(jié)抽汲參數(shù)，有電流保護、過電壓保護等作用，但由于價格昂貴和維修不方便等的原因，在現(xiàn)場應(yīng)用極少?；铍姍C可實現(xiàn)無極調(diào)速，電機轉(zhuǎn)軸與負載之間為軟特征連接，可以平滑啟動，但低速時損耗大、效率低，由于應(yīng)用調(diào)速電機的油井多為供液能力差、需實現(xiàn)低沖次運行的油井，此種電機在現(xiàn)場應(yīng)用不廣泛。高轉(zhuǎn)差率電機具有較高的轉(zhuǎn)差率和軟的機械特征，較高的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和較小的堵轉(zhuǎn)電流，較高的效率、功率因數(shù)，適用于轉(zhuǎn)動飛輪轉(zhuǎn)矩較大和不均勻沖擊載荷，特別是抽油機用沖擊載荷。雙功率電機是油田與石油大學(xué)合作研究生產(chǎn)的，采用改變繞組的接法來改變電機的極數(shù)和輸出功率，以便與機械負載的負載特征相匹配，可以簡化其變速系統(tǒng)，從而實現(xiàn)節(jié)能的目的。永磁電機是一種同步電機，具有體積小、重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，效率高，功率因數(shù)高，運行穩(wěn)定的特點。特別在抽油機輕載時在一定范圍內(nèi)的效率還要高于額定值的 94%，最高可達96%，又可獲得任意高的功率因數(shù)，最高為0.98左右，還可起到補償電容器的作用，啟動力矩大，過載能力強，從根本上解決了“大馬拉小車”的現(xiàn)象，節(jié)電效果非常明顯。

3 電機增效對策

可以根據(jù)每一臺抽油機具體的“癥結(jié)”所在，綜合考慮制定出相應(yīng)的節(jié)電措施，實現(xiàn)抽油機的經(jīng)濟運行，下面提幾點措施：（1）提高電動機的負載率。電機低負荷率下的效率低和功率因數(shù)低是抽油機浪費電能的原因之一，電動機負載率提到7-12%，則系統(tǒng)效率可提高2-4%，當電機負載率低于25%時，應(yīng)考慮奉還一個低容量級別的電動機。（2）油井參數(shù)優(yōu)化。針對供液不足井泵效低，耗電量大的現(xiàn)狀，采取低速電機和變頻器手段進行參數(shù)優(yōu)化，達到節(jié)電的目的。（3）合理選用抽油機機型，充分發(fā)揮抽油機潛力。抽油機的懸點載荷狀況是影響抽油機能耗的主要因素，其理想載荷率為80%左右。由于油井井況多變，因此需要經(jīng)常調(diào)節(jié)平衡，另外的原因是，平衡度好的抽油機，在穩(wěn)定生產(chǎn)的情況下，抽油機拖動電動機發(fā)電少。（4）選用節(jié)能電動機，改造普通電動機。根據(jù)現(xiàn)場情況，選擇節(jié)能電動機，減小機內(nèi)損耗，提高電動機本身的運行效率，使抽油機與電動機保持良好的功率匹配，提高效率，節(jié)約用電。改造現(xiàn)有普通電動機，在電動機機軸處安裝一個帶蓄能器的離合器，使電動機實現(xiàn)空載啟動，降低啟動電流，從而減小電動機的裝機功率，提高電機的負載率。電動機的星角接線自動變換裝置，在輕載時，Y接線運行，負載增大時，改為角接線運行。（5）安裝無功補償裝置。單井功率因數(shù)補償柜是在變壓器低壓側(cè)投加電容，利用無功就地補償裝置產(chǎn)生的容性電流抵消電動機的感性電流，油井安裝無功補償器后，降低了線路的損耗和變壓器的銅耗，從而提高功率因數(shù)，提高效率，達到節(jié)電目的。（6）使用節(jié)能減速器。抽油機節(jié)能減速器由一個軸承支座和兩個大小不同的皮帶輪組成，兩個皮帶輪通過軸和軸承固定在軸承支座上，軸承支座通過底座螺栓固定在抽油機底座上，大皮帶輪通過皮帶與電機相連接，小皮帶輪與抽油機皮帶輪連接，通過加大傳動比，在電機功率降低的情況下，滿足抽油機懸點負荷要求，實現(xiàn)0.5-4.0次達到降低沖次和節(jié)電的目的，其具有啟動平穩(wěn)、運行平穩(wěn)、優(yōu)化油井參數(shù)、降低電耗與成本的特點。

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