抽油机匹配节能电机应用分析

抽油机匹配节能电机应用分析

何其远

中国石油海洋工程有限公司 北京市， 1000228   

摘要：通过对萨北油田不同节能电动机的工作原理和机械特性进行阐述。并结合抽油机负载特性和电机实际应用情况，对节能电机的适应性进行了研究。通过统计不同类型电机现场应用效果，探究抽油机适用节能电机类型，为保证抽油机的经济运行和今后节能电机的匹配提供依据。

关键词：节能电机 适应性 节能优化

0 前言

高转差电机、双功率电机以及永磁电机三种节能型电机在油田抽油机井广泛应用。截止到2020年8月底，萨北油田抽油机井高转差电机1624台，双功率电机1180台，永磁电机290台，三种电机应用比例高达77.5%。这些节能电机在现场应用中存在匹配不合理现象，如同一种电机在不同油井节能效果大不相同。因此为了优化节能设备运行，针对这三种应用最广泛节能电机，开展现场应用效果分析和适应性分析。

1 节能电机原理及机械特性介绍

1.1高转差节能电机

高转差电机通过增加转子电阻增加电极的转差率，从而使电机在重负荷期间的速度降低，并增加了扭矩；使轻负荷期间速度增加，并减小了扭矩。在运行周期内，其速度变化超过了12%。这一特性减小了启动电流，增加了启动扭矩，装机容量降低了近40%。

1.2双功率节能电机

双功率电机是在普通Y系列电机的基础上改造而成，成本低廉，双功率电机有2套串联的绕组，即大功率的启动绕组和小功率的工作绕组，电机启动时，电流较大，使用大功率绕组，转正常运行后，自动切换为小功率绕组，具有很好的节能效果。

1.3永磁节能电机

永磁同步电机（包括无刷直流电机、永磁半直驱电机）与异步电机在结构方面相似，采用永久磁铁代替励磁绕组，定子和转子与普通Y系列电动机相似，电动机在转子上装有鼠笼条和稀土永磁钢，启动时笼条与旋转磁场相互作用产生异步启动力矩，牵入同步后笼条失去作用，永磁磁场与旋转磁场相互作用带动负载工作，运行时定子边励磁电流减少，铁损降低，大大提高了功率因数，降低了电机的温升与配电设备的容量，提高了低负载区（50%）以下电动机效率，实现节能的目的。

1.4电机机械特性及工作特性

电动机的机械特性分为硬特性和软特性两种，硬特性是指电动机的转矩在允许范围内变化时，电动机的转速变化很小。如双功率电机、永磁同步电机。软特性是指电动机的转速随着转矩的变化下降很快，机械特性斜率较大，但其启动转矩较大，典型的如高转差电动机。电动机的转速n与电动机的电磁转矩M之间的函数关系可以写成M=f(n),用函数关系曲线来表示三种电机的机械特性曲线如图1，图2，图3M_max点对应横坐标表示最大转矩。

2.抽油机负载特性分析

抽油机交变载荷特性。游梁式抽油机承受一种带有冲击力的周期交变载荷，启动转矩大，虽然有曲柄平衡，在一个周期内载荷波动幅度仍然很大（如图1），这种负载要求驱动电机的功率应有足够的余量，以保证带载启动时能够克服抽油机较大的惯性扭矩，在运行时有足够的过载能力，以克服交变载荷的最大扭矩，由于抽油机在运行过程中，大多数情况下，电机都处于轻载状态，因此有“大马拉小车”现象。

图4 抽油机负载特性曲线

抽油杆弹性形变特性。抽油机是一个机、杆、泵系统，抽油杆在运行过程中的弹性形变对系统效率的影响是不能忽视的，萨北油田抽油杆一般在800m以上，这样长的抽油杆在运行过程中弹性形变已经十分明显，尤其是换向加速度大时，抽油杆柱形变更大，这种变形使光杆变形更大。这种变形使光杆与泵内的活塞运动规律产生很大差异，一般情况下这种弹性形变减少了活塞的实际行程，即降低了泵的充满系数，降低泵效。因此驱动其运行的动力设备应具有自动适应性。

3 现场应用统计分析

2.1电机额定功率分析

三种电机节能原理不同，在不同电机额定功率、机型、参数下节电效果不尽相同。选取匹配合理的2221口抽油机井能耗数据，按不同机型、不同电机的额定功率进行分类统计，见表1。

表1 节能电机应用效果

从表1可以看出：额定功率在小于20kW时，应用永磁电机和双功率电机功率匹配合理井数最多，节能效果相当；额定功率在20~40kW时，永磁电机吨液耗电最低，节能效果最佳；额定功率在40~60kW时，应用双功率电机节能效果最佳；额定功率在60~75kW时，高转差电机节能效果最佳。

而对于不同机型，应选择合适的电机功率进行匹配安装。根据统计数据，8型以下抽油机匹配20~40kW永磁电机节能效果最佳。10型机匹配60~75kW高转差电机时节能效果最佳，但匹配40~60kW电机应用数量多，因此选择双功率电机为宜。14型机匹配40~60kW双功率电机节能效果最佳，这部分井受泵况等工况影响，存在“大马拉小车”现象，功率适当下调；对于新井投产，则应匹配60~75kW高转差节能电机。

2.2工况与电机匹配研究

为进一步确定各机型优选界限，结合电动机的机械特性和抽油机负载特性、抽油杆弹性形变，对不同工况下电机适应性进行分析。

工况1：高含水，泵挂浅（800m以内），中冲次（4n/min）和供液不足、低冲次（1~3n/min）。由于泵挂浅，冲次不高，或者供液能力弱，主要考虑抽油杆弹性形变不大，电机转速低，主要解决大马拉小车问题，考虑实际应用和经济效益，可以选择永磁电机，功率利用率效率和功率因数高，在大功率下永磁电机更容易出现发热现象，因此更适合小机型低产井。

工况2：高含水，泵挂深度在800m以上，中冲次（4n/min）。由于泵挂深，冲次不高，抽油杆弹性形变比较大。这时要考虑油井系统效率问题，这种情况下适合双功率电机，双功率电机机械特性适中，启动转矩高，启动电流小，过载能力大，可以降低一个功率等级，能很好解决抽油杆弹性形变问题。

工况3：高含水，高冲次（5~7n/min）泵挂深度在1000m或更深。由于冲次高、泵挂深，抽油杆弹性形变较大，需要解决泵效问题，应选择软特性电机，大幅度减小峰值扭矩，减少抽油杆断脱的几率，使系统实现柔性配合，提升系统效率，选择高转差电动机实现软启动，能够适应抽油机的交变载荷，利于机杆泵的系统配合，达到更好的节能效果。

4节能电机与抽油机合理匹配图版

根据以上理论和现场统计分析结果，结合机型、电机类型和泵挂深度，整理出实用匹配图版，方便节能电机与抽油机的匹配，见表2。

表2 节能电机与抽油机匹配图版

5结论与认识

5.1在一个工作循环内，抽油机的载荷是不均匀的。在应用节能电动机时，应根据抽油机井工况，综合考虑各种节能电机的特点和适应性，合理匹配电机功率和电机类型。

5.2对于产液量和系统效率较低，泵深较浅的抽油机井，建议应用永磁电机；对于载荷较大、抽油杆弹性形变大的抽油机井，建议应用双功率电机；对于液量高、机型大的抽油机井，建议应用高转差电机。

5.3统计现场节能电机应用效果，大多数节能电机匹配合理，为实现节能设备的高效、低耗运行，建议对少部分匹配不合理的电机在下次设备保养和维修时考虑对调和更换，保证节能效果。

参考文献

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作者简介：何其远（1992.04—）男，汉族，吉林松原人，硕士研究生，研究方向：采油工程。