葡萄花油田抽油机用节能电动机评价及适应性探讨

冉卫东（大庆油田有限责任公司第七采油厂）

葡萄花油田抽油机用节能电动机评价及适应性探讨

冉卫东（大庆油田有限责任公司第七采油厂）

通过对大庆油田第七采油厂不同节能电动机的机械特性及工作原理进行阐述，并结合各自的设计理论及实际应用情况，对抽油机在用节能电动机的优缺点进行了评价。从评价结果看，对于产液量较高、抽油机载荷较大的葡北等地区，建议以应用永磁同步电动机和双功率电动机为主；对于产液量及系统效率较低的葡南、台肇等地区，建议以应用低速电动机为主。通过分析结果，对不同节能电动机的适应性进行了探讨，为油田节能工作的持续开展提供了技术支持。

抽油机 节能电动机 适用性 评价 分析

目前，油田使用的抽油机大多是常规游梁式抽油机，属于带负荷启动设备，稳定运转所需的转矩较小，而在启动时所需转矩很大，因此，在实际生产时必须使用比稳定运转功率大得多的电动机和大容量变压器。这虽然解决了抽油机的启动问题，但是电动机的正常运行是在轻载状态下，这样就降低了功率因数和电动机的运行效率，增大了电能的消耗。针对此问题，考虑在抽油机上使用节能电动机拖动装置，例如永磁同步电动机、双速电动机、低速电动机等，来解决抽油机的启动问题，降低电动机的运行能耗。

1 抽油机、电动机的运行机理及特点

1.1 抽油机运行特性分析

载荷扭矩曲线是一条非对称的正弦曲线，具有周期脉动的负载特性。抽油机工作时，电动机驱动减速器带动四连杆机构实现驴头的上下运动，抽油杆在上行和下行时负载的变化较大，导致抽油机减速器的净扭矩波动幅度大，反映在电动机上则电流变化幅度较大。

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，所以要求电动机具有高启动扭矩，以保证抽油机在静止状态下启动运行。这样在选择电动机时就要求额定功率要大（启动扭矩大）。当抽油机正常运行时负载下降，电动机在轻载状态下工作（一般运行功率仅为装机功率的三分之一），系统效率测试数据显示功率因数多在0.3～0.5之间。

1.2 电动机运行机理分析

根据抽油机的负载特性，使用的节能电动机应具有负载越轻时效率和功率因数越高，启动力矩大，过载能力强等特性，实现抽油机井运行负载与电动机输出负载间的合理匹配。

1.2.1 机械特性

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，同步电动机的机械特性是一条直线，其转速不随转矩的变化而变化，典型的如永磁同步电动机；软特性是指电动机的转速随着转矩的变化下降很快，机械特性的斜率较大，但其启动转矩却较大，典型的如高转差电动机。

1.2.2 工作原理

当电动机接通三相电源时，三相交流电通入定子绕组后，便形成了一个旋转磁场，旋转磁场的磁力线被转子导体切割，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势。转子绕组是闭合的，则转子导体有电流流过，导体受电磁力作用形成电磁转矩，推动转子以一定的转速旋转，并从轴上输出一定大小的机械功率。

1.2.3 节能原理

如果电动机运行在额定负荷或额定负荷附近，则电动机属于经济运行。电动机运行效率取决于电动机负荷率，国家标准G B12497—1995规定，Y系列（IP44）37 k W6极电动机的负荷率应大于0.40；22k W 6极电动机的负荷率应大于0.46，此时电动机为经济运行。对于不同功率的Y系列电动机，效率下降点也不同。一般情况下，效率和功率因数随负荷率变化的曲线如图3所示。把效率将要快速下降点a所对应的负荷率称为临界负荷率βa。当负荷率β＞βa时，效率的变化不大，这是由电动机的可变损耗和不变损耗的对比关系所决定的。当负荷率β＜0.70时，功率因数下降很快。功率因数低不但使电动机本身能耗有所增加，而且给电网造成了附加损耗，降低了电网容量和变压器设备的利用率。从以上讨论可以看出，只要负荷率β不低于βa，“大马拉小车”的影响主要是降低功率因数。对于一般负荷（如风机、水泵），节能的关键是提高负荷率。如果将负荷率提高到0.70～0.80，即为最佳运行状态，没有必要提高到1。一般工作在β=0.70以上，功率因数比较高。

1.3 常用节能电动机的应用特点

抽油机井节能在理论上所追求的是“抽油机井的机械特性与电动机特性间的合理匹配”，真正实现抽油机井运行负载与电动机输出负载间的合理匹配[1]。

1.3.1 永磁同步电动机

永磁同步电动机与异步电动机在结构方面相似，只是在转子鼠笼条内嵌入稀土永磁钢，改变了原来定子励磁为转子稀土永磁钢励磁的方式，变异步电动机为同步电动机。其特点是提高了低负荷区的电动机效率，启动转矩大，运行电流小，功率因数高。不足之处在于同步电动机的启动特性较硬，在重载井或冲次高的井上应用启动时电动机易出现振动。因此，永磁同步电动机需要安装在供电线路压降小、电压稳定的井上，否则启动困难。同时永磁同步电动机的制造成本较高，损坏后维修困难，并容易出现退磁的现象。

1.3.2 双速电动机

双速电动机属于异步电动机变极调速，它是通过改变定子绕组的连接方法改变定子旋转磁场磁极对数，从而改变电动机的转速。其特点是启动转矩大，且运行时有两个挡位，可以在不更换皮带轮的情况下调整冲速。不足之处在于该电动机的调速是有极的，不能平滑调速，而且只适用于鼠笼式电动机，调速时需手动变换挡位调节转速来控制冲速。

1.3.3 双功率电动机

双功率电动机的定子绕组采用两个可以并联运行的绕组，两个绕组的功率不同，这种电动机能够实现大功率下启动、小功率下运行，保证了电动机功率与抽油机负载的合理匹配，使电动机在效率和功率因数最佳的状态下运行。其特点是启动和运行功率之间可自动切换，缺点是由于转差率高，在运行过程中易出现丢转现象。

1.3.4 低速电动机

低速电动机是在频率 f不变的情况下，改变异步电动机的磁极对数P，这样可以改变其同步转速n（n=60f/P），从而使电动机在某一负荷下的稳定速度发生变化，达到调整抽汲速度的目的。低速电动机是通过降低抽油机冲速达到节能的目的，其特点是启动转矩大，可降低电动机机座型号进行应用，其不足之处是电动机的转速不可调，运行功率因数较低。

1.3.5 双联齿轮减速电动机

双联齿轮减速电动机是通过安装在其专用电动机上的齿轮机械减速器达到降低输出转速和增加输出扭矩的目的，具有良好的启动性和软特性。其特点是能够用较小容量取代较大容量的普通电动机，可降低电动机装机容量45%～55%，冲速调整范围在0.8～4 min-1。此种电动机的不足之处在于长期运行后齿轮易磨损，导致噪声较大，使用寿命降低；调大冲速比较困难。

1.4 节能电动机应用效益分析

以上5种节能电动机的使用有效期均按8年计算（表1），永磁电动机投入费用居中，节能效果最好，投资回收期最短；双速电动机投入费用最高，投资回收期最长。

表1 节能电动机效益评价表

2 节能电动机适应性探讨

选择电动机时，在兼顾性价比的前提下，应对抽油机井实际工况进行分析，从电动机的启动性能、过载能力、节电效果等几个方面进行比较，做出较为合理的选择[2]。

2.1 永磁同步电动机

永磁同步电动机的特性较硬，除对重载井有一定的不适应性外，适用范围较广，节能效果明显，在老区改造和新开发区块上大面积应用，可获得规模效益。从油井工况方面考虑，对于高含水、泵挂在1000m以内，冲速不高于4 min-1，抽油杆弹性变形不是很大的井上应用，节电效果能达到15%以上。对于启动困难的井，可以采用软启动装置与永磁同步电动机配合使用，节电效果明显，但是增大了投资成本。

2.2 双速电动机

双速电动机适用于供排关系不稳定、产量波动范围较大的抽油机井。因该电动机具有7%的转差率和2倍的堵转转矩，有利于抽油机在启动和发生砂卡、蜡卡时减少减速箱和抽油杆所受的冲击载荷，因此，可选择在易结蜡的井上使用。

2.3 双功率电动机

双功率电动机适用于抽油机载荷大、易结蜡且启动困难的油井。

2.4 低速电动机

低速电动机适用于系统效率低、机采运行参数大、供采不合理、载荷较大的抽油机井。该电动机是通过降低抽汲频率来达到节能的目的，电动机仍为普通电动机，电动机的转速也不可调，所以在油井参数比较稳定的老抽油机上进行低速电动机改造是比较经济的。

2.5 双联齿轮电动机

双联齿轮电动机适用于井深、产量低，抽油机机型偏大和拖动电动机装机功率大的抽油机井。从油井工况方面考虑，对于供液不足、低冲速（一般在1~4 min-1）的井，主要考虑电动机的低转速，可选择双联齿轮电动机。

3 结论与认识

1）在应用节能电动机时，应根据不同区块的能耗状况及油井功况，综合考虑各种节能电动机的特点及适应性，合理匹配电动机功率，达到规模化效益。对于产液量较高、抽油机载荷较大的葡北等地区，建议以应用永磁同步电动机和双功率电动机为主；对于产液量及系统效率较低的葡南、台肇等地区，建议以应用低速电动机为主。

2）在节能措施实施过程中，应考虑投资与回收期、能耗与投入成本等方面的关系，控制投入成本，保证节能技术最优化、效益最大化。

3）在节能设备后期应用过程中，应加强设备的日常管理及维护，实现节能设备的高效、低耗运行，保证节能效果。

[1]殷雷.抽油机用节能电动机评价及改造方式的探讨[J].应用能源技术,2008（9）:12-14.

[2]王钊,秦英.李权,等.抽油机节能电动机的应用分析[J].石油矿场机械,2007,36（8）:6-8.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.04.013

冉卫东，2005年毕业于大庆石油学院，从事采油工程方面的工作，E-mail：songbing@petrochina.com.cn，地址：黑龙江省大庆市大同区第七采油厂电力维修大队，163517。

2012-01-06）