开关磁阻节能电机在煤层气抽油机井上的应用

周 帅 崔金榜 熊 平 汤继丹 杨 波

(1.华北油田公司采油工艺研究院,河北 062552;2.华北油田公司煤层气分公司,山西 048000)

在华北油田煤层气开发中主要采用常规抽油机进行生产,抽油机在排采设备中占90%以上。抽油机依据井深、载荷等选用3型和5型两种;抽油杆选用 D级 φ19mm;管式泵主要有 φ38mm、φ44mm、φ56mm三种。

抽油机作为活塞式有杆泵的地面举升设备,只要能够满足其运动及机械特性的电动机就可以作为其拖动的动力设备,目前煤层气井抽油机拖动装置普遍采用电磁调速异步电动机。电磁调速异步电动机又称滑差电机,它是一种恒转矩交流无级变速电动机。电磁调速异步电动机是由普通鼠笼式异步电动机、电磁滑差离合器和电气控制装置三部分组成。异步电机作为原动机使用,当它旋转时带动离合器的电枢一起旋转,电气控制装置是提供滑差离合器励磁线圈励磁电流的装置。

抽油机工作时是由电机驱动减速器带动四连杆机构实现驴头上下摆动,驴头带动抽油杆使活塞泵做上下往复运动完成抽汲过程。抽油杆在上行和下行时负载的变化大,导致抽油机减速器的净扭矩波动幅度大,反映在电机上则电流变化大。由于抽油机具有自身的机械平衡装置和周期脉动的负载特性,所以要求电机具有高启动扭矩,才能保证抽油机在静止状态下启动起来。因此在实际生产时必须设计使用比稳定运转功率大得多的电机和大容量变压器。这虽然解决了启动问题,但电机正常运行是在轻载状态,降低了电网的功率因数和电机的效率,负载率极低,功率损耗大,能源浪费严重。

随着煤层气开发的进一步深入,开发井越来越多,耗电量也日益增加。在用电高峰期时为了保证高产井生产的需要,不得不采取限电措施,关闭一批低产井,从而影响到煤层气的产量。为了达到节能降耗、提高效益的目的,将开关磁阻节能电机应用到煤层气抽油机井上。

1 开关磁阻电机组成

开关磁阻电机由控制器和电动机两大部分组成。电动机由定子和转子两部分组成。定子是一块圆筒形导磁金属,圆筒内壁上有棱,棱上缠有绕组,在圆筒轴心对称位置上的每一对绕组都是连通的,通电后会产生一个经过圆筒轴心的定向磁场;转子由磁阻极小的金属制成 (硅钢片),无绕组及永磁体。

开关磁阻电机配有控制器,控制器由嵌入式微处理器、可编程逻辑器件、驱动电路、电力电子器件及软件组成。提供5位数码管数据显示,可查看电动机的运行数据及各种参数的设置情况：具有键盘输入功能,通过对键盘的操作,可实现电动机的起停控制及各种参数的设计;具有开关量和模拟量接口,可输入传感器及开关信号,可输入模拟量及继电器信号,可实现简单的PLC控制功能;具有通讯接口,用户可通过该接口实现远方监控,同时也可通过该通讯口下载程序,进行系统的维护。

表1 安装前后拖动装置参数对比表

2 工作原理

控制器根据位置检测器检测到的定子、转子间相对位置信息,结合给定的运行命令,导通相应的定子绕组,绕组中有直流电流流过,产生定向磁场。由于转子是磁阻很小的金属,很容易被磁场吸引,定子上的磁场吸引转子上离其最近的棱极,使转子转动,最终转子棱极与定子上的通电绕组相吻合。(由于磁场总是趋于“磁阻最小”,由此而产生的磁阻性电磁转矩使转子转向“极对极”位置。)当转子转到平衡位置时,电磁转矩消失。此时控制器根据新的位置信息,在定转子即将达到平衡位置时,向功率变换器发出命令,关断当前的绕组,而导通下一相绕组,则转子又会向下一个平衡位置转动。这样,控制器根据相应的位置信息按一定的控制逻辑连续地导通和关断相应的绕组,就可产生连续的同转向的电磁转矩,使转子在一定的转速下连续运行。根据一定的控制策略控制各相绕组的通、断时刻以及绕组电流的大小,还可使电机在设定状态下运行。

开关磁阻电机不存在三相异步电动机的不足,首先其输出转矩不受转速的影响。当负载增大,转速趋于降低时,控制器根据速度检测器检测到的速度变化,自动增大定子绕组电流,输出转矩增大,使转速度提高,直到转速重新达到设定速度 (当负载减小时,控制原理相同)。即开关磁阻电机控制灵活,易于实现各种特殊要求的“转矩-速度”特性;其次,关磁阻电机不存在三相异步电动机的无功损耗,其功率密度大,在任何运行状态下均可实现较高的运行效率。

3 现场应用

3.1 安装前后拖动装置参数

在HX13和HX19两口井上安装5.5kW开关磁阻电机,两口井使用的都是华北石油荣盛机械有限公司制造的CY JY3-1.5-9HB型抽油机,安装前后抽油机拖动装置参数如表1所示。

3.2 节能效果测试

分别对安装电磁调速异步电动机和开关磁阻电机时的运行数据进行测量,对比两种拖动装置的耗电情况。两口井节能效果测试数据表2和表3所示。

表2 HX13井节能效果测试数据表

表3 HX19井节能效果测试数据表

3.3 应用效果

(1)开关磁阻电机不存在三相异步电动机的无功损耗和“大马拉小车”现象,相比电磁调速异步电动机节能效果良好,两口井节电率都在50%以上。5.5KW电磁调速异步电动机日耗电按60kW·h计算,电费按0.7元/kW·h计算,根据测试结果计算平均每口抽油机井年节约电费8942.5元。

(2)开关磁阻电机调速范围宽,冲次调节范围在0.6～9次/分。

(3)开关磁阻电动机调速系统具有软起动特性,启动转矩高,启动电流小。

4 结论

开关磁阻节能电机相比原有的电磁调速异步电动机节能效果明显,在煤层气抽油机井上有着比较好的应用前景,通过对现场应用情况进行分析,可以得到以下结论：

(1)开关磁阻电机功率因数高,调速范围宽,节能效果好。

(2)适用于频繁启停及正反转运行,高起动转矩,低起动电流。

(3)可控参数多,调速性能好,低速运行稳定。

(4)全区间运行效率高,损耗小。

(5)开关磁阻电机在运行过程中噪声和振动比较大,应对电机进行进一步的改进和完善,提高电机运行的平稳性。

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