專注電機(jī)制造60年，服務(wù)全球制造業(yè)在油田生產(chǎn)中使用最為廣泛的采油設(shè)備就是抽油機(jī)，而其龐大的耗電量超過了總用電量的四成，其工作中承受的周期性波動的負(fù)載，通常負(fù)載率較低，這也導(dǎo)致整個抽油機(jī)系統(tǒng)不超過 30% 的負(fù)載率，存在較為嚴(yán)重的電能浪費(fèi)情況。作為電能到機(jī)械能轉(zhuǎn)換的設(shè)備，抽油機(jī)電機(jī)這一電氣設(shè)備承擔(dān)了系統(tǒng)的原動力，而電機(jī)是否節(jié)能又直接影響到整個系統(tǒng)的節(jié)能狀況。為提升抽油機(jī)系統(tǒng)的效率，達(dá)到節(jié)能效果，就需要對電機(jī)的耗能原理進(jìn)行分析，針對高能耗的問題進(jìn)行適當(dāng)改造來獲得更佳的運(yùn)行方案。
▲皖南電機(jī)：油田專用節(jié)能電機(jī)
1 電機(jī)節(jié)能及能耗分析分析
1.1電機(jī)能耗機(jī)理
電機(jī)分為直流電機(jī)、交流電機(jī)和控制電機(jī)。直流電機(jī)的電源為直流電，調(diào)速過程平滑，有著良好的啟動性和經(jīng)濟(jì)性，多用于對調(diào)速和氣動有一定要求的設(shè)備。交流電機(jī)的電源為交流電，從電源頻率和轉(zhuǎn)數(shù)上又分為同步電機(jī)和異步電機(jī)。電機(jī)轉(zhuǎn)速為 n 值，在同步電機(jī)中，電源頻率和 n 之間的關(guān)系固定，在負(fù)載變化的情況下也不會發(fā)生改變，可對其功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，在空載狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)無功功率的調(diào)節(jié)。對于異步電機(jī)，n 值始終低于電源產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，因定子繞組的相數(shù)區(qū)別可分為單相異步電機(jī)和三相異步電機(jī)，單相多屬于小型，而多相則有著不同的容量。
電機(jī)的損耗主要包括了恒定損耗、負(fù)載損耗和雜散損耗。恒定損耗不受負(fù)載影響，主要是因不同的設(shè)計參數(shù)而形成的固有損耗，包括轉(zhuǎn)速、結(jié)構(gòu)、制造工藝和材料等，可分為鐵心損耗和機(jī)械損耗。負(fù)載損耗也稱為銅耗，是電流在通過轉(zhuǎn)子繞組和定子是而出現(xiàn)損耗，繞組電阻和負(fù)載電流決定了該值的大小，占總損耗的兩成到七成。雜散損耗是約為總損耗的 10%~15%，是鐵心和導(dǎo)線等金屬部件在轉(zhuǎn)子、定子的高次諧波下出現(xiàn)的損耗。
1.2高耗低效原因分析
對油田抽油機(jī)的使用現(xiàn)狀進(jìn)行統(tǒng)計分析，造成電機(jī)高耗低效的原因主要包括大量老舊電機(jī)的使用、不當(dāng)?shù)碾姍C(jī)匹配、特殊的工藝要求。當(dāng)前存在電機(jī)超期服役的情況，有的甚至超過二三十年，這些電機(jī)內(nèi)部存在嚴(yán)重的老化，且制造工藝和材料均已淘汰，技術(shù)性能無法達(dá)到需求，這就使得電機(jī)效率遠(yuǎn)低于新型高效節(jié)能電機(jī)。
在電機(jī)選配方面，存在不合理的情況，主要表現(xiàn)在以下幾個方面 ：不合理的形式、不合理的容量、不合理的轉(zhuǎn)速以及不合理的轉(zhuǎn)矩。因工藝需求，抽油機(jī)的周期變化負(fù)載導(dǎo)致了不同階段不同轉(zhuǎn)矩，這就需要對容量裕度進(jìn)行合理配置。
2 抽油機(jī)負(fù)載特點(diǎn)
抽油機(jī)在工作中，油柱上升中需要大功率，而在下方因自由落體不需要動力，為保持均勻負(fù)荷，通過添加平衡塊的方式來實(shí)現(xiàn)平衡，電機(jī)軸上所承受的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為平衡扭矩加上符合扭矩。在以曲柄轉(zhuǎn)交和總負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系形成的抽油機(jī)負(fù)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，具有以下特點(diǎn)。
抽油機(jī)的負(fù)載為波動且具有周期性，以沖次來對波動頻率進(jìn)行描述，通常情況下，抽油機(jī)沖程為每分鐘 6到 12 次，波動周期為 5 到 19 秒。平衡扭矩為正弦曲線，但負(fù)荷扭矩呈不規(guī)則，總負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線在呈現(xiàn)負(fù)功率時，電動機(jī)會進(jìn)入發(fā)電制動狀態(tài)。在負(fù)載扭矩曲線的一個周期內(nèi)，平均值在最大值的 1/3 處，上下沖程都存在一個死點(diǎn)，在停車后的啟動中，啟動點(diǎn)始終未負(fù)載較大的死點(diǎn)。
鑒于抽油機(jī)負(fù)載的特殊性，如果采取普通異步電機(jī)就會造成浪費(fèi)。抽油機(jī)的啟動是從死點(diǎn)附近帶載啟動，有著較大的慣性矩，為保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行，電機(jī)的選配過程中就需要以最大扭矩為參考值，但是進(jìn)入到正常工作后，平均轉(zhuǎn)矩只是最大扭矩的 1/3，使得電機(jī)工作始終處于額定功率的 1/3 狀態(tài)，造成浪費(fèi)。再者，井場存在砂卡結(jié)蠟等情況時，為保證啟動過程中不出現(xiàn)燒毀而對電動機(jī)進(jìn)行不斷更換，人為因素導(dǎo)致余量的增加，加劇了浪費(fèi)程度。對現(xiàn)有的抽油機(jī)進(jìn)行負(fù)荷率統(tǒng)計，通常在20% 左右，稍微能維持在 30% 這一相對高位，過低的符合運(yùn)轉(zhuǎn)使得電機(jī)效率無法提升，功率因數(shù)降低。在抽油機(jī)負(fù)載的周期性波動帶動下，電機(jī)轉(zhuǎn)速也出現(xiàn)波動，加大其損耗。因抽油機(jī)的平衡決定了周期性負(fù)載，無法做到根治。負(fù)功率出現(xiàn)在電網(wǎng)和電機(jī)中，在有功電能的吞吐作用下，使得功率因數(shù)不斷惡化。
3 節(jié)能及改造過程
關(guān)于電機(jī)節(jié)能方面的標(biāo)準(zhǔn)主要有國家標(biāo)準(zhǔn) GB18613《中小型三相異步電動機(jī)能效限定值及能效等級》，現(xiàn)今參考的是 2012年頒布的第三版標(biāo)準(zhǔn)。在該標(biāo)準(zhǔn)中，中小型三相異步電動機(jī)效率可分為 1 級、2 級、3 級三個等級， 適用范圍為 2 極、4 極、6 極，額定功率在 0.75~375 kW，50 Hz 三相交流電源供電，1000 V 以下電壓。抽油機(jī)電機(jī)進(jìn)行改造過程中可參考此類標(biāo)準(zhǔn)。
對異步電機(jī)進(jìn)行分析，在不變的頻率下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩M 也為固定值，存在一個電壓值 U 使其實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，在該電壓下能實(shí)現(xiàn)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。鑒于抽油機(jī)工作負(fù)荷的周期性波動，為實(shí)現(xiàn)曲線各點(diǎn)的最優(yōu)化工作，就需要電機(jī)的輸入電壓也能隨著負(fù)載扭矩的變化而變化。這就需要功率因數(shù)控制器來對輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其與負(fù)載波動對應(yīng)，這類交流調(diào)壓裝置在當(dāng)前技術(shù)下較容易實(shí)現(xiàn)，提升抽油機(jī)節(jié)能狀況的優(yōu)化方式可采取變壓變頻。從抽油機(jī)的惡劣工作環(huán)境分析，通常不可能采取電力電子節(jié)能裝置，過高的成本，造成破壞后不能自助修理，且極易發(fā)生設(shè)備失竊的可能，導(dǎo)致高新設(shè)備的應(yīng)用受阻。
雖然電力電子節(jié)能裝置在實(shí)際應(yīng)用中無法推廣，但是還有一種現(xiàn)實(shí)可行的方法，就是對電機(jī)定子繞組進(jìn)行切換。最常見的抽油機(jī)電機(jī)功率在 7.5~75 kW之間，采取的 Y 系列異步電機(jī)，為滿足大轉(zhuǎn)矩的啟動要求，可在啟動時用三角形接法來實(shí)現(xiàn)定子繞組。當(dāng)處于正常工作狀態(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(xiàn)節(jié)能，針對現(xiàn)采用的電機(jī)，可采取 1 ∶ 1 和 1 ∶ 2 兩種類型。在換接定子繞組后，降低了電機(jī)相電壓和最大扭矩，這就降低了過載能力。需要對過載能力進(jìn)行考察，因?yàn)楫?dāng)最大扭矩還未達(dá)到抽油機(jī)峰值扭矩時容易導(dǎo)致停車。
抽頭比 K 為 Y 形部分和三角形部分的匝數(shù)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大扭矩之比，等效降壓比 Ku 為延邊三角形接法和三角形接法時的等效相電壓之比，改接后的最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù) Km 為延邊三角形接法時的最大轉(zhuǎn)矩與電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩之比。一般情況下的 Y 系列電機(jī)中，抽油機(jī)的六、八極電機(jī) Km 值為2。定子繞組換接后電機(jī)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(jī)進(jìn)行改進(jìn)后，保持了原有的啟動力矩和啟動電流，使其啟動特性不變，改造后的電機(jī)也能再遠(yuǎn)場合正常適用，改造后，負(fù)載越小，節(jié)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(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)后也能應(yīng)用于其他系列電機(jī)，適合應(yīng)用于采油廠的技術(shù)改造。
本文來源于《生產(chǎn)質(zhì)量》。