大庆油田抽油机节能电机及其应用效果分析

戴洪森 （中石油大庆油田有限责任公司第三采油厂，黑龙江 大庆163256）

目前，油田使用的常规游梁抽油机属于带负荷启动设备，稳定运转时所需的转矩较小，而在启动时所需转矩很大，因而在实际生产时必须使用比稳定时的运转功率大得多的电机和大容量变压器，这样虽然解决了启动问题，但由于电机正常运行在轻载状态，降低了电网的功率因数和电机的效率，增加了无功消耗，从而严重影响了油田的经济效益。为了改变上述状况，大庆油田在常规游梁抽油机上使用了节能电机。下面，笔者以大庆油田第三采油厂为例，针对不同节能电机的应用情况进行了分析与探讨。

1 有刷直流电机及应用效果评价

1.1 超高转差率电机

1）主要技术特点 超高转差率电机主要依靠降低转子转速来增加扭矩，从而降低装机功率，最终达到系统节能的目的，具体内容如下：①超高转差率电机的软特性改变了光杆运行速度的规律，当遇到换向冲击载荷和重载荷时，转速下降。②超高转差率电机启动扭矩大、启动电流小，降低装机功率，使电机的固定损耗 （铁损、机械损）降低 （见图1）。但该电机也存在以下不足：①超高转差率电机一般适用于振动载荷较大的井，而采油工艺要求大冲程、低冲次，这种工艺需要最大限度地减少惯性负荷和振动负荷，因而该电机的应用范围被大大缩小。②由于该电机转差率高，会导致载荷变化大的抽油机在运行过程中易出现丢转现象。③只能在固定功率下运行，无法实现机采井运行负载与电机输出负载间的合理匹配，最终影响电机运行效率。

图1 电机功图对比 （北2－4－467井）

2）应用效果 大庆油田第三采油厂有超高转差率电机142台投入运行 （其中低压超高转差率电机38台，高压超高转差率电机104台 （带有660V节能防窃一体化拖动装置）），装机功率降低了20.4%，有功功率下降1.477kW，平均单井日节电35.4kW·h，平均有功节电率11.3%，功率因数上升了0.514。特别是高压节能防窃一体化拖动装置，不仅保证了油井正常生产，减少了生产成本开支，还有效遏制了私拉乱接现象，杜绝了油井窃电现象。

1.2 双绕组电机 （双速双功率）

1）主要技术特点 双绕组电机在设计上是在单槽内下入双线，即形成了2套绕组 （称之为启动绕组和工作绕组），由此确保该电机具有2种功率，即启动功率和运行功率。在控制系统中应用了Y－Δ转换，使实际运行功率可以依据负载的需求多了一级功率的变换，最终达到节能的目的，具体内容如下：①电机启动时，启动绕组在额定功率下 （启动功率）启动电机，以满足抽油机启动时需高扭矩的要求，启动后转入正常运行。②正常运行时，负载下降，通过控制箱自动转换到工作绕组上运行，电机的功率下降至运行功率。工作绕组将2个绕组串联，运行功率的值是根据抽油机运行时的负载大小来决定的。③电机运行负载与输出负载间匹配合理，确保了电机能够高效运行。但该电机存在的缺点是无论进行大功率运行还是小功率运行，电机的机械特性都比较硬，不能很好地解决系统配合的问题。

2）应用情况 大庆油田第三采油厂第一油矿共安装了143台双速双功率节能电机，其中新井投产安装75台，节能电机改造安装68台，对68台节能改造的电机安装前后进行了电参测试，结果表明，有功功率下降1.16kW，平均单井日节电27.8kW·h，有功节电率10.6%，功率因数上升了0.383。

1.3 永磁同步电机

1）主要技术特点 该电机在结构上与Y系列电机相似，所不同的是在电机转子内镶入永磁铁，使转子自身具有高强度磁场，可以用来取代电动机转子的电励磁，显著提高功率因数，减小了定子电流和定子电阻损耗 （见图2），具体内容如下：①永磁同步电机为同步工作方式，转子转速与定子旋转磁场完全同步，与异步电机相比，无转差损耗。②解决了电容补偿问题，可以省去无功补偿电容器。③启动转矩大过载能力强，启动转矩为额定转矩的3.0～4.0倍，能替换比其大1～2个功率等级的Y系列异步电机。但该电机存在以下不足：无法实现抽油机运行负载与电机输出负载间的合理匹配；电机在额定功率运行时的机械特性比普通电机还硬，运行中无转差；在重载井上启动时电机易出现振动现象。

图2 电机功图对比 （北2－321－59井）

2）应用情况 大庆油田第三采油厂第一油矿共安装永磁同步电机29台，在抽油机上推广应用永磁同步电机平均节电率15%～30%。据测试结果计算，平均每台电机年节电23652kW·h，经济效益12945元 （电费按0.5473元／（kW·h）计算）。

1.4 无触点智能软启动自动变速电机

1）主要技术特点 该电机具有如下技术特点：①采用电压谐波启动控制方式，当电机启动时，控制器将以最低的电压启动电机，按设置的软启动时间 （2～8s），平缓地提高电机电压至全压，减少电机启动时的电流冲击。②电机鼠笼转子绕组的2个铸铝端环的圆周上有多个径向通风冷却的孔，能使转子的转矩特性适当变软的同时而转动不过热。③该电机转子轴上安装了一个飞轮，能够隔离各种冲击转矩和脉动转矩。该电机存在以下不足：①软启动控制模板易损坏，对抽油机的正常运行造成很大影响。②由于采用电压谐波启动，在启停过程中会产生谐波，这样会污染电网。

2）现场应用情况 在20口抽油机载荷变化较大的井上安装了智能软启动自动变速电机，该电机安装前后电参测试结果表明，平均电机功率下降了6.9kW，平均有功功率降低了1.501kW，平均单井日节电36kW·h，有功节电率为19.7%，平均功率因数提高了0.522。

2 无刷直流电机及其使用效果评价

2.1 主要技术特点

（1）利用电子转向器取代机械电刷和机械转向器，使电机运行平滑稳定、电压利用率高，节电效果好。

（2）电压范围宽，能适应电网电压波动大的油井。

（3）载特性较软。与有刷直流电机相比，无论高速运行还是低速运行，其负载特性都比较软，适用于载荷变化的抽油机。

（4）调速范围广。有刷电机在需要低速大电流时，炭刷压降较大，不宜长期运行，而电机在高速时又容易产生换向火花，高速上限较低。而无刷直流电机的调速范围较宽，特别适用于变频器调速范围大的变频器。

（5）电机运行效率高。有刷直流电机需要从电网能量建立电机主磁场，再加上炭刷的损耗，导致电机运行效率低；无刷直流电机通过转子上永久磁铁建立电机主磁场，节省了能量，因而电机运行效率较高。

3.2 现场应用情况

安装无刷直流电机后，进行了现场电参测试，从电参测试结果看，使用该电机具有如下效果：①工作电流大幅度下降，平均工作电流由37.9A下降到25.4A，下降了12.5A。②功率因数提高 （由0.372提高到0.76），有功功率降低 （降低了4.03kW），日节电96.7kW·h，有功节电率为55.4%。③降低了交变载荷。北3－J4－60井安装无刷直流电机前后功图如图3所示。由图3可知，平均最大载荷由37.82kN降到33.62kN，下降了4.2kN，而交变载荷减少了10.84kN。

图3 电机功图对比 （北3－J4－60井）

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