优化抽油机井电动机合理匹配降低能耗技术研究

杨红艳（大庆油田有限责任公司第八采油厂）

1 电动机合理匹配计算模型

电动机装机功率的原则就是在配备电动机时，实际功率需求不超过选配电动机额定功率[1]，即

除了满足功率要求以外，还应满足最大扭矩的要求，即传到电动机轴的最大扭矩不应当超过电动机允许的最大扭矩：

2 电动机合理负载率的研究计算

电动机功率合理匹配的原则是：满足变载荷抽油机井的电动机功率裕量要求；保证不出现轻载或过载的低效率高能耗问题。保证电动机的运行效率，主要是确定合理负载的上下限[2]。

2.1 电动机负载率

电动机的平均负载程度，又称为功率利用率，即电动机平均轴功率P2m与其额定功率PN之比：

2.2 周期载荷系数

即考虑因抽油机运动特性引起的轴扭矩波动及电动机电流波动的影响系数，定义为电动机电流均方根值与平均电流之比，常规游梁抽油机井CLF范围在1.44～2.35之间。

2.3 电动机合理负载率界限

寻求电动机合理负载率界限必须保证电动机在较高效率水平运行，由此率先建立电动机负载率与电动机运行效率之间的关系：

令式中P0=P0/PN，即

电动机效率与电动机本身效率特性、负载率以及周期载荷系数3个因素有关（图1）。

图1 电动机效率在不同CLF时随负载率的变化曲线

分析曲线变化，负载率越高，CLF对电动机效率的影响越大。当电动机负载达到一定范围后，随负载增大电动机内部损耗增加，电动机效率出现下降趋势。也就是说，电动机具有一定的合理负载范围，在此区间电动机的效率可在较高水平上保持稳定。

由电动机效率与负载率变化可知，对于常规Y系列异步电动机，只有当β<0.2时，效率才明显下降；当β>0.2时，电动机效率不随β增加而明显增加，因此，抽油机井负载过轻或配备电动机功率过大的负载率界限为0.2（图2）。

图2 常规异步电动机效率在不同CLF时随负载率的变化曲线

对于负载率合理上限，首先考虑电动机的效率水平，其次当电动机负载过大时，电动机内部损耗增加，同时电动机无法满足启动需求。由此可知，常规Y系列异步电动机不过载时理论最大合理负载率为50%（图3）。

图3 永磁电动机效率在不同CLF时随负载率的变化曲线

以现场应用的22kW/30kW永磁同步电动机为例，β<0.2时效率同样明显下降。由于效率高、启动转矩大，永磁电动机在不过载情况下对应合理负载率上限可达到70%。

由于不同类型电动机的效率水平不同，且不同抽油机井受CLF影响程度不同，因此其所能决定的合理负载率也不相同。

通过电动机合理负载率指导电动机配置，必须考虑满足油井电动机正常启动的要求，因为电动机启动所需力矩（启动电流）是油井正常运转过程中的数倍。油井所配电动机必须为生产变化和调参措施留有一定的功率裕量，因此，油井实际的合理负载率上限需在理论基础上进行修正。计算表明，对于变载荷抽油机井，油井达到满载时电动机所需功率裕量为3～5kW，按此计算得出：常规Y系列异步电动机合理负载率范围在20%～45%；永磁同步电动机合理负载率范围在20%～55%。

受油井实际的电动机规格、电动机效率以及周期载荷系数影响，不同抽油机井实际所能取得的最大合理负载率不同。

3 电动机合理匹配实施与效果

通过建立电动机匹配的功率计算模型以及确定合理的负载率，进一步指导永磁同步电动机的合理匹配与调整，对永磁同步电动机等节能电动机的现场应用也起到了指导作用。

为达到节能效果，保证电动机在高效区内运行，以提高负载率为目标，优先匹配负载率低于20%的井；为准确计算装机功率，求得周期载荷系数，研发了可测试启动电流和瞬时运行电流的电参测试仪器。

截至2008年，累计匹配436口井，占全厂抽油机井的30.13%。电动机平均负载率提高了5.3个百分点，有功功率下降了1.78kW（表1），累计节电1691.8×104kWh。其中应用永磁电动机井平均负载率达到30.05%，提高了12.2个百分点。

表1 抽油机井电动机合理匹配效果

2009年共匹配电动机122口井，对比92口，平均装机功率下降24.5kW，平均负载率由原来的21.2%提高到了30.1%，有功日节电量达到28.8kWh。

4 结论与认识

1）油田进入高含水开发阶段，对油井配置的电动机应根据投产后实际生产状况进行功率需求和负载率水平的合理界定，进一步优化电动机配置，降低抽油机井能耗水平。

2）在对油井进行电动机合理匹配时，应满足启动功率需求和油井最大扭矩的要求，同时综合考虑匹配后合理负载率水平，即可使电动机保持在高效率水平。

3）研究表明，不同类别电动机负载率与电动机效率、周期载荷系数有关，不同类别、不同规格以及对应不同抽汲设备的电动机其合理负载率范围不同。常规Y系列异步电动机合理负载率范围为20%～45%，永磁同步电动机合理负载率在20%～55%。

[1]姜云晗,李铁良,薛剑茹.合理匹配电动机提高抽油机井系统效率[J].油田节能,2005,16(4):32-34.

[2]梁乃成.抽油机井电动机功率匹配方法探讨[J].石油石化节能,2012(2):23-24.