论文部分内容阅读
摘要：在现场大多应用的常规型游梁式抽油机，工作特点是承受交变载荷，悬点运动速度和加速度的变化使载荷极不均匀，工作能耗偏高。针对油田游梁式抽油机结构简单，可靠性高，使用维护方便，适应现场工况，在采油生产设备中占75%以上，在今后相当长的时间内仍将是油田的首选设备。然而随着油田进入开发中后期，尤其是电费在采油成本中所占的比例逐年升高，如何打造油井电动机的节能增效是下步工作的一项重要任务。因此，从现状出发，提出具有实用意义的电机节能增效措施，此措施对于其它油田的开发也具有重要的参考意义及推广价值。
关键词：机械采油；游梁式抽油机；节能降耗；措施优化；变频技术
目前油田进常用的三相异步电动机，在理想情况下的效率为90%左右，且大多功率因数小于0.4，负载率不足30%，浪费电力严重。抽油机使用的电动机工作载荷是带冲击的周期性交变载荷，与按恒定载荷设计制造的通用电动机的工作特征不匹配。通用电动机的机械特征是硬特征，在运行过程中其转速随载荷变化不大，而抽油机的交变载荷增加了电动机的电动损耗，再加上选择的抽油机与实际需要不匹配，降低了整机的地面效率。分析抽油机的用电特征，根据每台抽油机具体的“症结”所在，综合考虑制定出相应的节电措施，实现其经济运行。
1 游梁式抽油机节能应用
在现场大多应用的常规型游梁式抽油机，工作特点是承受交变载荷，悬点运动速度和加速度的变化使载荷极不均匀，工作能耗偏高，不平衡现象普遍存在，地面系统效率偏低，用电多。异向型游梁式抽油机具有峰值扭矩低、所需电动机功率低等特点，运转时平衡效果较好。在相同的情况下，其系统效率比常规型高2.5-4%。前置式游梁抽油机具有平衡效果好、光杆最大载荷小、节能效果好等特点。其缺点是悬点载荷低于额定悬点载荷，造成抽油机资源的浪费，工作时前冲力大，影响机架的稳定性，使它的应用受到制约。现场应用的节能电动机主要有：变级调速、电磁调速电机（滑差电机）、变频调速、高转差率电机、永磁同步电机、双功率电机几种，下面对它们的特性和现场应用情况做一简单陈述。变频调速可以低速轻载启动，抽油机冲次及上下冲程的速比可实现无级调节，可以根据油井井况进行抽空控制，自动调节抽汲参数，有电流保护、过电压保护等作用，但由于价格昂贵和维修不方便等的原因，在现场应用极少。滑差电机可实现无极调速，电机转轴与负载之间为软特征连接，可以平滑启动，但低速时损耗大、效率低，由于应用调速电机的油井多为供液能力差、需实现低冲次运行的油井，此种电机在现场应用不广泛。高转差率电机具有较高的转差率和软的机械特征，较高的堵转转矩和较小的堵转电流，较高的效率、功率因数，适用于转动飞轮转矩较大和不均匀冲击载荷，特别是抽油机用冲击载荷。双功率电机采用改变绕组的接法来改变电机的极数和输出功率，以便与机械负载的负载特征相匹配，可以简化其变速系统，从而实现节能的目的。永磁电机是一种同步电机，具有体积小、重量轻，结构简单，效率高，功率因数高，运行稳定的特点。特别在抽油机轻载时在一定范围内的效率还要高于额定值的 94%，最高可达96%，又可获得任意高的功率因数，最高为0.98左右，还可起到补偿电容器的作用，启动力矩大，过载能力强，从根本上解决了“大马拉小车”的现象，节电效果非常明显。目前已应用170多台，节电效果良好，受到普遍欢迎。
2 电动机带动抽油机生产存在浪费电力的弊端
2.1 电动机负载低
为保证抽油机的启动要求和在运行时有足够的过载能力，通常所配的电动机装机功率较大，而电动机正常运行时都是轻载运行，造成抽油机负载率低，与电动机不匹配，形成“大马拉小车”的生产状况，使线路、变压器、电动机的功率损耗增大；电动机的运行效率取决于负载率，轻载时电动机的效率很低，当负载增加到一定值时，变化则很小，有实验证明：负载率〈0.4时，效率的变化不大，负载率>0.7时，效率最高。当电动机负荷很低时，电动机仍要從电网吸取较大的无功功率，从而降低了功率因数，这就是目前电机功率因数低的主要原因。
2.2 平衡率低
现场使用的抽油机平衡率低，严重的不平衡造成电力的浪费，造成多数电动机电流变化不均匀，使电动机内耗大大增加，影响整个抽汲系统的效率。
2.3 存在发电现象
现有的节电措施大都是针对电机低负荷率下效率低和功率因数低造成的电能浪费的情况，而抽油机浪费电能的另一个重要原因是抽油机拖动电机发电，有实验证明：目前使用的各种类型的电动机都多少存在这种情况。由于抽油机负载波动很大，在抽油机的正常运转中会出现抽油机减速箱输入轴的运转速度大于电机对它的驱动速度的情况，这时，抽油机就拖动电机发电，其发的电不会完全与电网同步和存在线路损耗，可以肯定电机发的电不能完全被电网利用。在整个电能—机械能—电能的转换过程中能有很大的一部分能量被浪费掉。
3 抽油机井节电改进措施
前面简单地分析了抽油机的用电，浪费电力的出处所在，我们就可以根据每一台抽油机具体的“症结”所在，综合考虑制定出相应的节电措施，实现抽油机的经济运行，下面提几点措施：（1）提高电动机的负载率。电机低负荷率下的效率低和功率因数低是抽油机浪费电能的原因之一，电动机负载率提到7-12%，则系统效率可提高2-4%，当电机负载率低于25%时，应考虑奉还一个低容量级别的电动机。（2）油井参数优化。针对供液不足井泵效低，耗电量大的现状，采取低速电机和变频器手段进行参数优化，达到节电的目的。（3）合理选用抽油机机型，充分发挥抽油机潜力。抽油机的悬点载荷状况是影响抽油机能耗的主要因素，其理想载荷率为80%左右。由于油井井况多变，因此需要经常调节平衡，另外的原因是，平衡度好的抽油机，在稳定生产的情况下，抽油机拖动电动机发电少。（4）选用节能电动机，改造普通电动机。根据现场情况，选择节能电动机，减小机内损耗，提高电动机本身的运行效率，使抽油机与电动机保持良好的功率匹配，提高效率，节约用电。改造现有普通电动机，在电动机机轴处安装一个带蓄能器的离合器，使电动机实现空载启动，降低启动电流，从而减小电动机的装机功率，提高电机的负载率。电动机的星角接线自动变换装置，在轻载时，Y接线运行，负载增大时，改为角接线运行。（5）安装无功补偿装置。单井功率因数补偿柜是在变压器低压侧投加电容，利用无功就地补偿装置产生的容性电流抵消电动机的感性电流，油井安装无功补偿器后，降低了线路的损耗和变压器的铜耗，从而提高功率因数，提高效率，达到节电目的。（6）使用节能减速器。抽油机节能减速器是专利产品，该减速器由一个轴承支座和两个大小不同的皮带轮组成，两个皮带轮通过轴和轴承固定在轴承支座上，轴承支座通过底座螺栓固定在抽油机底座上，大皮带轮通过皮带与电机相连接，小皮带轮与抽油机皮带轮连接，通过加大传动比，在电机功率降低的情况下，满足抽油机悬点负荷要求，实现0.5-4.0次达到降低冲次和节电的目的，其具有启动平稳、运行平稳、优化油井参数、降低电耗与成本的特点。
此外，抽油机拖动电动机发点过程很浪费电能，目前还没有对抽油机拖动电动机发点的节能技术进行更深入的研究，以后这方面是一个研究方向，是一个节能增效点，具有广阔的节能前景。
（作者单位：中国石油化工股份有限公司华北油气分公司采油一厂）
关键词：机械采油；游梁式抽油机；节能降耗；措施优化；变频技术
目前油田进常用的三相异步电动机，在理想情况下的效率为90%左右，且大多功率因数小于0.4，负载率不足30%，浪费电力严重。抽油机使用的电动机工作载荷是带冲击的周期性交变载荷，与按恒定载荷设计制造的通用电动机的工作特征不匹配。通用电动机的机械特征是硬特征，在运行过程中其转速随载荷变化不大，而抽油机的交变载荷增加了电动机的电动损耗，再加上选择的抽油机与实际需要不匹配，降低了整机的地面效率。分析抽油机的用电特征，根据每台抽油机具体的“症结”所在，综合考虑制定出相应的节电措施，实现其经济运行。
1 游梁式抽油机节能应用
在现场大多应用的常规型游梁式抽油机，工作特点是承受交变载荷，悬点运动速度和加速度的变化使载荷极不均匀，工作能耗偏高，不平衡现象普遍存在，地面系统效率偏低，用电多。异向型游梁式抽油机具有峰值扭矩低、所需电动机功率低等特点，运转时平衡效果较好。在相同的情况下，其系统效率比常规型高2.5-4%。前置式游梁抽油机具有平衡效果好、光杆最大载荷小、节能效果好等特点。其缺点是悬点载荷低于额定悬点载荷，造成抽油机资源的浪费，工作时前冲力大，影响机架的稳定性，使它的应用受到制约。现场应用的节能电动机主要有：变级调速、电磁调速电机（滑差电机）、变频调速、高转差率电机、永磁同步电机、双功率电机几种，下面对它们的特性和现场应用情况做一简单陈述。变频调速可以低速轻载启动，抽油机冲次及上下冲程的速比可实现无级调节，可以根据油井井况进行抽空控制，自动调节抽汲参数，有电流保护、过电压保护等作用，但由于价格昂贵和维修不方便等的原因，在现场应用极少。滑差电机可实现无极调速，电机转轴与负载之间为软特征连接，可以平滑启动，但低速时损耗大、效率低，由于应用调速电机的油井多为供液能力差、需实现低冲次运行的油井，此种电机在现场应用不广泛。高转差率电机具有较高的转差率和软的机械特征，较高的堵转转矩和较小的堵转电流，较高的效率、功率因数，适用于转动飞轮转矩较大和不均匀冲击载荷，特别是抽油机用冲击载荷。双功率电机采用改变绕组的接法来改变电机的极数和输出功率，以便与机械负载的负载特征相匹配，可以简化其变速系统，从而实现节能的目的。永磁电机是一种同步电机，具有体积小、重量轻，结构简单，效率高，功率因数高，运行稳定的特点。特别在抽油机轻载时在一定范围内的效率还要高于额定值的 94%，最高可达96%，又可获得任意高的功率因数，最高为0.98左右，还可起到补偿电容器的作用，启动力矩大，过载能力强，从根本上解决了“大马拉小车”的现象，节电效果非常明显。目前已应用170多台，节电效果良好，受到普遍欢迎。
2 电动机带动抽油机生产存在浪费电力的弊端
2.1 电动机负载低
为保证抽油机的启动要求和在运行时有足够的过载能力，通常所配的电动机装机功率较大，而电动机正常运行时都是轻载运行，造成抽油机负载率低，与电动机不匹配，形成“大马拉小车”的生产状况，使线路、变压器、电动机的功率损耗增大；电动机的运行效率取决于负载率，轻载时电动机的效率很低，当负载增加到一定值时，变化则很小，有实验证明：负载率〈0.4时，效率的变化不大，负载率>0.7时，效率最高。当电动机负荷很低时，电动机仍要從电网吸取较大的无功功率，从而降低了功率因数，这就是目前电机功率因数低的主要原因。
2.2 平衡率低
现场使用的抽油机平衡率低，严重的不平衡造成电力的浪费，造成多数电动机电流变化不均匀，使电动机内耗大大增加，影响整个抽汲系统的效率。
2.3 存在发电现象
现有的节电措施大都是针对电机低负荷率下效率低和功率因数低造成的电能浪费的情况，而抽油机浪费电能的另一个重要原因是抽油机拖动电机发电，有实验证明：目前使用的各种类型的电动机都多少存在这种情况。由于抽油机负载波动很大，在抽油机的正常运转中会出现抽油机减速箱输入轴的运转速度大于电机对它的驱动速度的情况，这时，抽油机就拖动电机发电，其发的电不会完全与电网同步和存在线路损耗，可以肯定电机发的电不能完全被电网利用。在整个电能—机械能—电能的转换过程中能有很大的一部分能量被浪费掉。
3 抽油机井节电改进措施
前面简单地分析了抽油机的用电，浪费电力的出处所在，我们就可以根据每一台抽油机具体的“症结”所在，综合考虑制定出相应的节电措施，实现抽油机的经济运行，下面提几点措施：（1）提高电动机的负载率。电机低负荷率下的效率低和功率因数低是抽油机浪费电能的原因之一，电动机负载率提到7-12%，则系统效率可提高2-4%，当电机负载率低于25%时，应考虑奉还一个低容量级别的电动机。（2）油井参数优化。针对供液不足井泵效低，耗电量大的现状，采取低速电机和变频器手段进行参数优化，达到节电的目的。（3）合理选用抽油机机型，充分发挥抽油机潜力。抽油机的悬点载荷状况是影响抽油机能耗的主要因素，其理想载荷率为80%左右。由于油井井况多变，因此需要经常调节平衡，另外的原因是，平衡度好的抽油机，在稳定生产的情况下，抽油机拖动电动机发电少。（4）选用节能电动机，改造普通电动机。根据现场情况，选择节能电动机，减小机内损耗，提高电动机本身的运行效率，使抽油机与电动机保持良好的功率匹配，提高效率，节约用电。改造现有普通电动机，在电动机机轴处安装一个带蓄能器的离合器，使电动机实现空载启动，降低启动电流，从而减小电动机的装机功率，提高电机的负载率。电动机的星角接线自动变换装置，在轻载时，Y接线运行，负载增大时，改为角接线运行。（5）安装无功补偿装置。单井功率因数补偿柜是在变压器低压侧投加电容，利用无功就地补偿装置产生的容性电流抵消电动机的感性电流，油井安装无功补偿器后，降低了线路的损耗和变压器的铜耗，从而提高功率因数，提高效率，达到节电目的。（6）使用节能减速器。抽油机节能减速器是专利产品，该减速器由一个轴承支座和两个大小不同的皮带轮组成，两个皮带轮通过轴和轴承固定在轴承支座上，轴承支座通过底座螺栓固定在抽油机底座上，大皮带轮通过皮带与电机相连接，小皮带轮与抽油机皮带轮连接，通过加大传动比，在电机功率降低的情况下，满足抽油机悬点负荷要求，实现0.5-4.0次达到降低冲次和节电的目的，其具有启动平稳、运行平稳、优化油井参数、降低电耗与成本的特点。
此外，抽油机拖动电动机发点过程很浪费电能，目前还没有对抽油机拖动电动机发点的节能技术进行更深入的研究，以后这方面是一个研究方向，是一个节能增效点，具有广阔的节能前景。
（作者单位：中国石油化工股份有限公司华北油气分公司采油一厂）