不同類型電機在游梁式抽油機中的應(yīng)用分析

杜 業(yè)，于紅業(yè)，葛利俊

（渤海石油裝備（天津）新世紀機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

根據(jù)中石油有關(guān)部門統(tǒng)計，油田采油系統(tǒng)的年均耗電量超過20 億度，能耗巨大。為進一步推動節(jié)能降耗，工業(yè)和信息化部相繼制定并頒布了3 個批次的高耗能落后機電設(shè)備（產(chǎn)品）淘汰目錄。其中第三批目錄規(guī)定在2015 底前，將低壓電機中的Y、Y2、Y3、YB、YB2 予以明確淘汰。國家質(zhì)檢總局也頒布了電機能效提升計劃，大力推廣應(yīng)用高效電機。游梁式抽油機（以下簡稱抽油機）與電機所組成系統(tǒng)的節(jié)能，應(yīng)包含3 個方面：①提升電機效率，降低自身能耗；②提升系統(tǒng)效率，使系統(tǒng)內(nèi)各部分合理匹配，避免大馬拉小車現(xiàn)象，使整體效率最佳；③提升系統(tǒng)可靠性，延長使用壽命，降低全壽命周期成本。

1 抽油機及電機的特性

抽油機負載為一條波動性近似正弦曲線。電機需要承受周期性交變負荷，往往還伴有劇烈的沖擊負荷。這一負載特性要求電機在選擇容量時留有足夠余量，保證帶載啟動時，能克服抽油機較大的慣性扭矩，滿足啟動要求。同時又要求電機運行時要有足夠的過載能力，以克服交變載荷的最大扭矩。在實際運行過程中，電機負荷率大部分為20%～40%。電機的平均負荷率低，存在著嚴重的“大馬拉小車”現(xiàn)象，造成電機效率和功率因數(shù)的降低。在抽油機系統(tǒng)中，電機機械特性的軟硬程度是評價電機性能的重要依據(jù)之一，它將直接影響抽油機系統(tǒng)機、桿、泵的受力狀態(tài)和使用壽命。

目前，油田應(yīng)用電機類型主要有超高效異步電機、高轉(zhuǎn)差率電機、永磁同步電機和開關(guān)磁阻電機。

1.1 超高效異步電機

相對于普通異步電機，超高效電機通過優(yōu)化電磁設(shè)計和降低轉(zhuǎn)子阻值，降低銅損；采用高導磁硅鋼片等優(yōu)質(zhì)材料，降低鐵損；通過改進軸承、風扇和風罩，降低機械損耗?？傮w上提高了電機性能和效率。在配合變頻器使用時，可以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩啟動，軟啟停減緩了對抽油機系統(tǒng)的機械沖擊，可以實現(xiàn)大范圍調(diào)沖。實驗證明，變頻器可以提升抽油機低負荷區(qū)（＜30%）運行的效率，但也會降低中高負荷區(qū)運行的效率。

1.2 高轉(zhuǎn)差率電機

按照SY/T 5226—2019《抽油節(jié)能拖動裝置》的規(guī)定，高轉(zhuǎn)差率電機的轉(zhuǎn)差率范圍為5.6%～8.4%[1]。由電機學知識可知，增大轉(zhuǎn)子電阻會提升電機啟動性能。這很好地解決了大馬拉小車問題，可以用較小容量取代較大容量的普通電機，減少裝機損耗。但同時轉(zhuǎn)子阻值加大也會增加轉(zhuǎn)子銅損，降低電機效率。雖然高轉(zhuǎn)差率電機犧牲了部分效率，但是換取得到的軟特性更適合于抽油機等傳動轉(zhuǎn)矩較大的交變沖擊負載。這種特點使得抽油機系統(tǒng)負荷得到很大改善，獲得良好綜合效益。高轉(zhuǎn)差率電機具有適合交變載荷的軟特性，在中高沖次運行時具有較好的降載效果，啟動性能優(yōu)于低轉(zhuǎn)差率電機[2]。

1.3 永磁同步電機

永磁同步電機的轉(zhuǎn)子安裝有永磁體，按布置位置的不同，可分為內(nèi)嵌式和表貼式。由于無需電流勵磁，可以在較大功率范圍內(nèi)保持較高的運行效率和功率因數(shù)，且高效區(qū)間寬。這種電機通常做成12 極和16 極低速電機，用在供液不足的油井，使抽油機工作在2 沖次左右。在不影響產(chǎn)量的前提下，可大幅度降低電耗。近些年，半直驅(qū)型低速大轉(zhuǎn)矩電機開始應(yīng)用，它直接安裝在減速箱的輸入軸上，省掉皮帶傳動，進一步提升了系統(tǒng)效率。永磁同步電機多采用變頻器驅(qū)動，也有的在轉(zhuǎn)子上加裝鼠籠繞組，內(nèi)嵌磁鋼，做成異步啟動型永磁電機，直接采用工頻供電，更加節(jié)能。

1.4 開關(guān)磁阻電機

根據(jù)磁阻最小原理，開關(guān)磁阻電機采取逐相導通的工作方式。定、轉(zhuǎn)子均為雙凸極結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單。定子采用內(nèi)集中繞組，轉(zhuǎn)子無繞組?，F(xiàn)場常采用三相12/8 結(jié)構(gòu)形式。由于電機無轉(zhuǎn)子繞組，因此不存在轉(zhuǎn)子銅損，效率高、節(jié)能效果好。這種電機多用在需頻繁正反轉(zhuǎn)換的塔架式長沖程抽油機。

2 電機應(yīng)用特性

根據(jù)抽油機系統(tǒng)節(jié)能要求，從電機能耗、合理匹配和可靠性等方面，分析它們在抽油機的應(yīng)用特性。

2.1 電機能耗

永磁同步電機在整個范圍內(nèi)的效率都較高，在低負荷（10%～20%），效率在80%以上。開關(guān)磁阻電機次之，整體運行效率比永磁同步電機低約5%；超高效異步電機在中高負荷區(qū)（30%～80%），效率略低于開關(guān)磁阻1%。高轉(zhuǎn)差率電機效率在中高負荷區(qū)最低，但在低負荷區(qū)（10%～30%），由于高轉(zhuǎn)差率電機有3 種轉(zhuǎn)矩輸出，在實際應(yīng)用中，配合轉(zhuǎn)矩自動變換控制柜實現(xiàn)自動變換，使系統(tǒng)的輸出與負載實現(xiàn)合理匹配，比超高效異步電機平均效率要高約10%。

2.2 合理匹配

電機的機械特性描述了轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系，其機械硬度的軟硬情況將直接影響抽油機系統(tǒng)機、桿、泵的受力狀態(tài)和使用壽命，這是評價電機性能的重要標準。

永磁同步電機和開關(guān)磁阻電機的機械特性是一條平行于橫軸的直線，當負載轉(zhuǎn)矩變化時，電機穩(wěn)定轉(zhuǎn)速保持不變，運行中無轉(zhuǎn)差，機械特性非常硬。它沒有消減振動載荷的能力，增大了對減速箱齒輪的沖擊，加劇抽油機系統(tǒng)振動，無法實現(xiàn)系統(tǒng)柔性匹配。在使用過程中有皮帶拉斷，甚至抽油桿斷脫的現(xiàn)象。

超高效電機由于降低轉(zhuǎn)子阻值，轉(zhuǎn)差率在2%以下，機械特性比普通Y 系列電機還硬，不利于系統(tǒng)的柔性匹配。在應(yīng)用變頻器改變頻率后，機械特性的運行段基本相互平行，硬度基本保持不變。隨著頻率下降，電機的最大轉(zhuǎn)矩減小，帶載能力隨之下降。

高轉(zhuǎn)差率電機的機械特性較軟，可以對抽油機系統(tǒng)產(chǎn)生一系列作用，有利于減小乃至消除倒發(fā)電；有利于使劇烈變化的扭矩曲線趨向平緩，降低減速箱損壞率；有利于改善機桿泵的受力狀態(tài)，減小懸點動載荷，降低抽油桿的最大應(yīng)力和應(yīng)力變化范圍，達到柔性匹配。

2.3 可靠性

不同類型的電機應(yīng)具備良好的適用性，能夠滿足油田現(xiàn)場嚴酷工況要求，同時還要便于就地維修。

超高效電機和高轉(zhuǎn)差率電機結(jié)構(gòu)簡單，可以沒有控制環(huán)節(jié)直接接入電網(wǎng)運行，維修方便、可靠性最高。這是油田應(yīng)用最廣泛的原因之一。

永磁同步電機在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)、劇烈振動和長期高溫運行時，都會產(chǎn)生不可逆退磁，導致電機轉(zhuǎn)矩降低，不能平穩(wěn)啟動抽油機。另外，轉(zhuǎn)子充磁需要找專業(yè)廠家，維護費用較高。

開關(guān)磁阻電機雖然結(jié)構(gòu)簡單，但不能獨立工作，必須配合控制器才能工作，運行時還需要位置檢測器反饋電機位置。這削弱了結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，降低了系統(tǒng)運行的可靠性。

3 結(jié)束語

用戶可根據(jù)現(xiàn)場工況和抽油機類型，選擇適合的電機?？傮w上，應(yīng)采取系統(tǒng)考慮、綜合效益、切合實際和因地制宜的原則；管理上應(yīng)做到精細管理，合理匹配，才能達到最佳匹配，使抽油機系統(tǒng)節(jié)能效果達到最大化。未來，伴隨著科技進步，無鐵芯、高功率密度、高效率的新型電機和重載慢提，輕載快提類似軟特性的控制方式，必將給抽油機系統(tǒng)帶來革命性的巨變。