抽油機電機的節能標準改（gǎi）造探討

在油田生產中使用（yòng）最為廣泛的采油設備就是抽油機，而其龐大的耗電量超過了總用電量的四成，其工作中承受的周（zhōu）期性波動的負載，通常負載率較低，這也導致整個抽油機係統不超過（guò） 30% 的負載率，存在較為（wéi）嚴重的電能浪費情況。作為（wéi）電能到機械能轉換的設備，抽油機電機這一電氣（qì）設備承擔了（le）係（xì）統的原動力，而電機是（shì）否節能又直接（jiē）影響到整個（gè）係統的節能狀況。為提升抽油機係統的效率，達到節（jiē）能效果，就需要對電機的耗能原理進行分析，針對高能耗（hào）的問題進行適當改造來獲得更佳的運行（háng）方案（àn）。

▲好色先生视频污電機（jī）：油田專用節能電機 

1 電機節能（néng）及能耗分析（xī）分析（xī）

1.1電機能耗機理

電機分（fèn）為直流電機、交流電（diàn）機和控製電機。直流電機的（de）電源為直流電，調速過程平滑，有著良好的啟動性（xìng）和經濟性，多用於對調速和氣動有一定要求的設備。交流電機的（de）電源為交流電，從電（diàn）源頻率和轉數上又分為同（tóng）步電機和異步電機。電機轉速（sù）為 n 值，在同步（bù）電機（jī）中，電源（yuán）頻率和 n 之間的關係固定，在（zài）負載變化的情況下也（yě）不會發生改變，可對（duì）其（qí）功率因數進行調節，在（zài）空載狀態下實現無功功率的調節。對於異步電機，n 值始終低於電（diàn）源產生的旋轉磁場轉速，因（yīn）定子繞組的相數區別可分為單相異步電機和三相異步電機，單相多屬於小型，而多（duō）相則有著不同的容量。

電機的損耗主要包括了恒定損耗、負載損耗和雜散損（sǔn）耗（hào）。恒定損耗（hào）不受負載（zǎi）影響，主要（yào）是因不（bú）同的設計參數而形成（chéng）的（de）固（gù）有損耗，包括轉速、結構、製造工藝（yì）和材料等，可分為鐵（tiě）心損耗和機械損（sǔn）耗。負載損耗也稱為銅（tóng）耗，是電流在通過（guò）轉子繞組和定子是而出現損耗，繞組電阻和負載電流決定了該值的大小，占總損耗的（de）兩成到七成。雜散損耗是約為總損耗的 10%~15%，是鐵（tiě）心和導線等金屬（shǔ）部件在轉子、定子的高次諧波下出現的損（sǔn）耗（hào）。

1.2高耗低效原因分析

對油田抽（chōu）油機的使用現狀進（jìn）行統計分析，造成電機高耗低效的原因主要包括大量（liàng）老舊電機的使（shǐ）用、不當的電機匹配、特（tè）殊（shū）的工藝要求。當前存在電機超期服役的情況，有的甚至超過二三十年，這些電機內部（bù）存在嚴重的老化，且製（zhì）造工藝和材料均已淘汰，技術（shù）性能無（wú）法達到需求，這就使得電機效率遠低於新型高效節能電機。

在電機選（xuǎn）配方麵，存在不合理的（de）情況，主要表現（xiàn）在以下幾（jǐ）個方麵 ：不合理的形式、不合理的容量（liàng）、不合理的轉速以（yǐ）及不合理的（de）轉矩。因工藝需求，抽油（yóu）機的周（zhōu）期變化（huà）負（fù）載導致了不同階（jiē）段不同轉矩，這就需要對容量（liàng）裕度進行合理配置。

2 抽油機負載特點

抽油（yóu）機在工作中，油柱上升中需要大功率，而在下方因（yīn）自由落體不需要動力，為保（bǎo）持均勻負荷，通過添加平衡塊的（de）方式來實現平衡，電機軸上所承受的總負載轉矩為平衡扭（niǔ）矩加上符合扭矩。在以曲柄轉交和總負載轉矩的關係形成的抽油機負荷曲線圖中，隨著油井的變化， 曲線有所不同，受平衡和井況影響（xiǎng），具有以下特點。

抽油機的負載為波動且具有周期性（xìng），以衝次來對波動頻率進行描述，通常情況下（xià），抽油機衝程為每分鍾 6到 12 次，波動周期為 5 到 19 秒。平衡扭矩為正弦曲線，但負荷扭矩呈不規則，總負載（zǎi）轉矩曲線在呈現負功率（lǜ）時，電動機會進入發電製（zhì）動狀（zhuàng）態。在負（fù）載扭矩曲線的一個周期內，平均值在最大值的 1/3 處，上下衝程都存在（zài）一個死（sǐ）點，在停車後的啟動中，啟動點始（shǐ）終（zhōng）未負載較大的死點。

鑒於（yú）抽油機負載的特殊性，如果采取普通異步電（diàn）機（jī）就會造成浪費（fèi）。抽油機的（de）啟動（dòng）是從死點附近帶載啟（qǐ）動，有著較大的慣性矩，為保（bǎo）證生產的順利進行，電機的選（xuǎn）配過程中就需（xū）要以（yǐ）最大扭矩（jǔ）為參考值，但是（shì）進（jìn）入到正常工作後，平均轉矩隻是最大扭矩的 1/3，使得電機工作始終（zhōng）處於額定功率的 1/3 狀態，造成浪費。再者（zhě），井場（chǎng）存在砂卡結蠟等情況時，為保證啟動過程中不出現燒毀而對電動機（jī）進行不斷更換，人（rén）為因素導（dǎo）致餘量的（de）增加，加劇了浪費程度。對現有（yǒu）的抽油機進行負荷率統計，通常在20% 左右，稍微（wēi）能維持（chí）在 30% 這一相對高位，過低的符合運轉使得電機效率無法提升，功率因數降低。在抽（chōu）油機負載的周期性波動帶動下，電機轉速也出現波動，加大其損耗。因抽油機的平衡決定了（le）周期性負載，無法做（zuò）到根（gēn）治（zhì）。負功率出現（xiàn）在電（diàn）網和電機中，在有功電能（néng）的吞吐作用下，使得功率因數不斷惡化。

3 節能及（jí）改造過程

關於（yú）電機（jī）節能方麵的標準主要有國家標準 GB18613《中（zhōng）小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》，現今參考（kǎo）的是 2012年頒布的第三版標準。在該標準中，中小型三相異步電動機效率可分為 1 級、2 級、3 級三個等級（jí）， 適用範圍為 2 極、4 極、6 極，額定功（gōng）率（lǜ）在 0.75~375 kW，50 Hz 三相交流電源供電，1000 V 以下電壓。抽油機電機進（jìn）行改造過程中可參考此類標準。

對異步（bù）電機（jī）進行分析，在不變的頻率（lǜ）下，負載轉矩M 也為固定值，存在一個電壓值 U 使其實現最優化，在該電壓下能實現最高效和最小損耗。輸入功率 P1 與電壓變化 f（u）呈反拋物線分布。鑒於（yú）抽油機工作負荷的周期性波動，為實現曲（qǔ）線各點（diǎn）的最優化工作，就（jiù）需要電機的輸入電壓也能隨著負（fù）載扭矩的變化而變化。這就需要（yào）功率因數控製（zhì）器來對輸入電壓進行調節，使其與負載波動對應，這類交流調壓裝置在當前技術下較容易實現（xiàn），提升抽油機（jī）節能狀況的優化方式可采取變壓變頻。從抽油機的惡劣工作環境分析，通常不可能采取電力電子（zǐ）節能裝置（zhì），過高的成（chéng）本，造（zào）成（chéng）破壞（huài）後不能（néng）自助修理，且極易發生設備（bèi）失竊的可能，導致高新設備的應用受阻。

雖然電力電子節能裝置在實際應用中無法推廣，但是還有一種現實可行（háng）的方法，就是對電機定子繞組進行切換。最常見的（de）抽油機電機功率在 7.5~75 kW之間，采取的 Y 係列異步電機（jī），為滿（mǎn）足大轉矩的啟動要求，可在（zài）啟動時（shí）用三（sān）角形（xíng）接法來實現定子繞組。當（dāng）處於正常工作狀態（tài）下，對每組繞組分成兩部分，形成延邊三角形，以此來降低電壓和輸入功率，實（shí）現節能，針（zhēn）對現采用的電機，可采取 1 ∶ 1 和 1 ∶ 2 兩種類型。在換接定子繞組（zǔ）後，降低了電機相電壓和最大扭矩，這就降低了過載能力。需要對過（guò）載能力進行考（kǎo）察，因為當最大扭矩還未達到（dào）抽（chōu）油機峰值扭矩時容易（yì）導致停車。

抽頭比 K 為 Y 形部分和三角形部分的匝數比，過載能力變比 Kt 為延邊三角形接法和三角形接法時的最（zuì）大扭矩之比，等效降壓比 Ku 為延邊（biān）三角形（xíng）接（jiē）法和三角形接法時的等效相電壓之比（bǐ），改（gǎi）接後的最大轉矩倍數 Km 為延邊三角形接法時的最大轉矩與電機額定轉矩之比。一般情況下的 Y 係列電機中，抽油機的六、八極電機 Km 值為2。定子繞組換接（jiē）後電（diàn）機的過載能力，在 1 ∶ 1 類型中，Ku、Kt、Km 分別為 0.71、0.47、0.94，在 1 ：2 類型中， 分別為 0.78、0.56、1.12。

對原電動機進行改進後，保持了原有的（de）啟動力矩和啟動電流，使其啟動（dòng）特性不變，改造後的電機也能再遠場合正常適用，改造後，負載越小，節電率就會隨之變得越高。改造的過程較少投入且操作簡單，效果明顯， 進行適當改進（jìn）後也能應用（yòng）於其他（tā）係列電機（jī），適合應用於采油（yóu）廠的技術改造。

本文來源於（yú）《生產質量》。

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