节能控制技术应用与负载率关系探讨

金火庆（大庆油田有限责任公司第六采油厂）

近些年油田节能拖动控制技术发展较快，从调压型控制技术到智能化伺服控制技术均得到大范围应用，取得较好节能效果。现场测试表明，当抽油机电动机载荷状况不同时，节能控制技术在现场应用的节能效果差别较大。因此，研究节能控制技术与抽油机电动机负载率的关系，摸索各种节能控制技术适用的负载率范围，对进一步降低油井能耗具有重要的现场指导意义。

1 抽油机电动机负载率对节电率影响分析

游梁式抽油机电动机负载属于一种周期性交变载荷，拖动抽油机举升的电动机负载率不仅是电动机运行的一项重要指标，更侧面反映了其拖动抽油机整体举升效率的水平。

抽油机电动机负载率与节电率的关系，实际体现了抽油机电动机效率的变化情况。对于拖动电动机，负载率相同情况下，电动机效率越高，能耗越低。

电动机效率可由下式[1]求得：

式中：η——电动机效率，%；

β——电动机负载率，%；

ηc——电动机额定效率，%；

Pc——电动机额定功率，kW；

k——常数。

图1 电动机负载率-效率理论曲线

由图1可知，当负载率在某范围内，电动机效率最高，同时，对应在此负载率范围内，电动机内部损耗是最低的，即电动机处于最节能的状态[2]。

研究分析表明，利用电动机的发热、最大过载转矩、最小启动转矩的校验方法，合理负载率上限不应高于58%[3]。同时按照电动机效率变化的趋势，电动机效率在负载率为20%～30%的范围内变化较大；因此，为保证较高电动机效率，则最低负载率不应低于30%。

2 负载率与节电率关系现场试验

针对节能控制技术与负载率应用后节电率的关系，现场选取不同生产水平的抽油机井，同时进行了星角转换、伺服控制、断续供电控制技术，以及可控硅调压技术的对比试验。

2.1 伺服控制技术

伺服控制技术在低负载率条件下节能效果更好，并且随负载率逐渐升高，节电率逐步减小；当负载率大于30%左右时，节能效果较差（图2）。

图2 伺服电动机节电率与负载率关系曲线

2.2 节能调压控制技术

通过不同电压条件下电动机负载率与效率的室内试验表明，对于星角变换、可控硅等调压型节能控制技术，当电动机负载率较低时，实际达到最佳节能效果的电压不高，而随电动机负载率不断增加，达到最佳节能效果所需的电压也不断增大[4]（图3）。

图3 负载率一定时电动机效率随电压调节的关系曲线

现场测试表明，在轻载条件下，星角变换和可控硅调压控制技术均有显著节能效果，有功节电率可达到10%左右。在重载条件下，节能效果不明显（图4、图5）。

图4 可控硅调压技术节电率与负载率关系曲线

分析其主要原因是：常规游梁式抽油机在轻载条件下，利用星角变换和可控硅调压控制技术可以降低电动机输入端的电压，相当于降低了装机功率[5]。由于减少了电动机内部损耗，提高了电动机的运行效率，所以节能效果更显著。

图5 星角变换调压技术节电率与负载率关系曲线

2.3 断续供电技术

断续供电技术是指，当抽油机运行上冲程时，只利用平衡块做功时的断电模式，并不仅仅依赖消除电动机内部的无功损耗[6]。因此，在负载率超过20%以后，依然能保持6.4%的节电率，与可控硅调压、星角变换控制技术相比，其更适用于较高负载井上的节能改造（图6）。

图6 断续供电控制技术节电率与负载率关系曲线

3 现场应用

通过以上分析，在应用节能技术时必须考虑电动机负载率，从而保证节能技术措施应用及改造取得最大节能效果。现场选取多种节能技术，按不同电动机负载率分别测试有功节电率（表1）。

表1 抽油机井节能技术适应负载率范围

试验结果表明，依据不同电动机负载率针对性选用节能技术，有功节电率可提高4.24个百分点。其中，在电动机负载率低于20%的条件下，伺服控制技术的节能效果明显好于抽油机在重载条件下的效果。断续供电技术在电动机负载率大于20%的条件下受载荷影响较小，节能效果要好于可控硅、星角变换等调压控制技术。对于电动机负载率较大的抽油机，根据抽油机载荷的平衡状况，可采取相应的节能平衡改造技术，通过改善抽油机的平衡效果，可进一步降低油井能耗。

4 结论

1）抽油机处于轻载状态时，电能损耗较大，此时不同原理的节能控制技术均具有较好的节能效果。当电动机负载率进一步增加时，各种节能控制技术的节电率均有较大幅度下降。

2）从提高电动机效率出发，应用节能技术前应首先调整抽油机电动机负载率，确保负载率处于合理范围。

3）应用节能控制技术，应考虑电动机负载率对节能效果的影响，节能调压控制技术更适用于中、低载荷油井上，较高载荷的油井上应用断续供电技术的节能效果更显著。