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[摘 要]机械采油是目前油田主要的采油方式。抽油机电机许多处于“大马拉小车”的状态，效率低。中小型三相异步电动机耗电约占35%，是耗能大户。本文分析了抽油机高能耗运行的原因，介绍了近几年来在抽油机井所采取的节电降耗措施，进行了节能测试试验评价，提出了具体的措施，取得了较好的节能降耗效果。
[关键词]抽油机；高能耗；节电降耗
中图分类号：U463.23+4.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）23-0057-01
0 引言
机械采油是目前油田主要的采油方式。传统的抽油机普遍存在着起动冲击大，运行耗电多，大马拉小车、效率低下等诸多问题，加之油井情况复杂，稠油、结蜡现象较多，断杆、烧电机等现象经常发生，对电动机没有可靠的保护功能，设备维修量大。
在油田生产实际中，由于管理技术水平等问题，很多电机处于轻载、低效、高耗能的运行状态，电能浪费严重。因此，抽油机电机节能降耗是油田节电降耗、降低开采成本的主要探索方向。
1 抽油机能耗高的原因分析
1.1 老旧电机数量多
部分电机使用时间过长，内部材料老化严重，有些电机的使用时间在20-30年以上；而另一部分电机制造工艺已属落后淘汰技术，各类技术性能参数远差于新型电机。无论是电机过旧还是制造工艺过时，均会造成电机运行负担加重，电机效率低下，电机损耗也远远高于新装或新型电机。
1.2 电机匹配不当
机械设备与电机配套不合理，包括形式选用不合理、容量选用不合理、转矩和转速选用，不合理等现象比较普遍，而机动设备的用户也由于对设备的选用不合理，运行方式不合理，造成大量的电机处于低效率运行状态。很多电机在选配时没有认真规划，导致真正投入使用后电机额定功率对匹配功率过大（大马拉小车）或过小（小马拉大车）的问题。其中“大马拉小车”使电机多损耗了一部分空载损耗；而“小马拉大车”则使电机超负荷运行，电机负担过重，电机温升过高，严重影响电机使用寿命。
1.3 特殊工艺造成高耗低效运行
抽油机由于其特殊的运行要求，所匹配的电机必须同时满足最大冲程，最大冲次，最大允许挂重的三个要求，还须具有足够的堵转转矩，以克服抽油机启动时严重的静态不平衡。因此，往往抽油机在设计时确定的安装容量裕度较大。如6型抽油机配Y200L-6/18.5kW，10型抽油机配Y250M-6/30kW等，但实际功率却比额定功率要小的多。因此，在抽油机电机的选配上往往安装了容量较大的电机，增加了电机的空载损耗；而抽油机的特殊的负荷变化，使得电机的无用功增加，这都使采油系统和电机的效率较低。
2 降低抽油机井能耗的措施
2.1 淘汰老旧落后电机
高效节能型电机的电机损耗仅是传统落后电机的几分之一，但电机效率却明显高于同状态下一般电机，是老旧落后电机更替的首选。
（1）永磁同步电机。抽油机上使用的永磁同步电机是一种异步启动的同步电机，由转子交流启动后牵入同步运行，类似于交流同步电机。其运行是靠定子绕圈在气隙中产生的旋转磁场与转子上磁钢间的相互吸引，使转子与定子气隙磁场同步旋转而做功。其转子等效电阻电路，故功率因数高，因无磁励电流，其空载损耗小。电机效率可达96%左右，较三相异步电机高。
（2）直流电机。直流电机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。
（3）其他专用电机。对有特殊工艺要求的设备，其对电机某一方面性能的要求不同，应结合具体情况具体装配，尽量减少因普通电机为弥补专用电机性能而造成额外电机电耗。
2.2 正确匹配电机功率
在选择电机时应注意：（1）如果电机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电机长期过载，使其绝缘因发热而损坏，甚至电机被烧毁。（2）如果电机功率选得过大，就会出现“大马拉小车”现象。其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还会造成电能浪费。
要正确选择电动机的功率：
（1）对于恒定负载连续工作方式，所选电机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。
（2）短时工作定额的电机，与功率相同的连续工作定额的电机相比，最大转矩大，重量小，价格低。因此，在条件许可时，应尽量选用短时工作定额的电机。
（3）对于断续工作定额的电机，其功率的选择要根据负载持续率的大小，选用专门用于断续运行方式的电机。此外，也可用类比法来选择电动机的功率。所谓类比法。就是与类似生产系统所用电机的功率进行对比。
具体做法是：了解本单位或附近其他单位的类似生产系统使用多大功率的电机，然后选用相近功率的电机进行试车。验证所选电机与生产机械是否匹配。验证的方法是：使电机带动生产机械运转，用钳形电流表测量电机的工作电流，将测得的电流与该电机铭牌上标出的额定电流进行对比。如果电机的实际工作电流与铭牌上标出的额定电流上下相差不大，则表明所选电机的功率合适。
如果电机的实际工作电流比铭牌上标出的额定电流低70%左右，则表明电机的功率选得过大（即“大马拉小车”）应调换功率较小的电机。如果测得的电机工作电流比铭牌上标出的额定电流大40%以上，则表明电机的功率选得过小（即“小马拉大车”，应调换功率较大的电机。
2.3 合理调整系统参数，加强管理节能
电机的日常维护也是决定电机是否高效低耗经济运行的重要因素，要按照系统参数设置的要求，定期检查电机运转情况，优化管理和维护。避免电机长时间超负荷、高温运行，对电机效率过低、不能经济运行的电机要及时进行原因监测分析，调整负载状态，尽可能地保持电机长时间处于经济运行状态。
对运行的各个系统，进行正确的参数设置，监控电机与终端装置的匹配状况，避免“大马拉小车”和“小马拉大车”现象，让电机始终保持在经济运行位置。
机采系统具有电机启动电流大，运行功率远低于电机额定功率，负荷时刻变化，有上下两个临界点，这些特点要求定期使用嵌型电流表等简易仪器测试抽油机上下冲程最大电流，调整平衡度，使抽油机平衡度保持在80%-110%，将电机的无用功降低到最小。此外，对日产液量太小的油井，采取间开的方法，既可以聚积采油能量提高采油效率，又可节约间歇停井时的电量，如一天平均停井12小时，相应的可节省50%的电费。
2016年6月，我们选择了20口抽油机井进行电机中间轴改造，在不影响液量和原油正常生产的情况下，单井平均冲次降低1.8次/分，单井平均输入功率下降2.49千瓦，单井日节电59.5千瓦时，系统效率提高5.05%，综合节电率达29.8%。该技术的应用不仅解决了供液不足、动液面低、产能低的抽油机井运行能耗大的问题，而且解决了抽油机井其动力矩大与运行功率小之间的矛盾，避免了抽油机不必要的高速运行导致的能耗大、减速箱磨损快等问题。
2.4 使用软启动、变频调速装置或安装节电装置
通常感应电动机采用直接启动或一般启动的方法，电机的全压起动电流为额定电流的5-7倍，不仅损耗大，对电网冲击也大，机械磨损，振漏大。如果用变频调速启动，可以将起动电流限制到很小，即使是滿载起动，也只比额定电流稍大就可以了，损耗大大降低，既不冲击电网，又不冲击机械。
3 结束语
随着节能节电技术的不断发展，针对电机节电的各类节电装置也不断涌现，其主要原理是通过各种不同手段动态调节电机运行状态过程中的电压电流，在保证电机转速的前提下，保持电机的输出转矩与负载的精确匹配，有效地减少有功功率和无功功率损耗，也相应减少了磁损耗，同时使电机的功率因数提高。一般情况下综合节电率在15%以上。
参考文献
[1] 国家发展和改革委员会.SY/75264-2006.油田生产系统能耗测试和计算方法.北京：石油工业出版社，2006.
[关键词]抽油机；高能耗；节电降耗
中图分类号：U463.23+4.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）23-0057-01
0 引言
机械采油是目前油田主要的采油方式。传统的抽油机普遍存在着起动冲击大，运行耗电多，大马拉小车、效率低下等诸多问题，加之油井情况复杂，稠油、结蜡现象较多，断杆、烧电机等现象经常发生，对电动机没有可靠的保护功能，设备维修量大。
在油田生产实际中，由于管理技术水平等问题，很多电机处于轻载、低效、高耗能的运行状态，电能浪费严重。因此，抽油机电机节能降耗是油田节电降耗、降低开采成本的主要探索方向。
1 抽油机能耗高的原因分析
1.1 老旧电机数量多
部分电机使用时间过长，内部材料老化严重，有些电机的使用时间在20-30年以上；而另一部分电机制造工艺已属落后淘汰技术，各类技术性能参数远差于新型电机。无论是电机过旧还是制造工艺过时，均会造成电机运行负担加重，电机效率低下，电机损耗也远远高于新装或新型电机。
1.2 电机匹配不当
机械设备与电机配套不合理，包括形式选用不合理、容量选用不合理、转矩和转速选用，不合理等现象比较普遍，而机动设备的用户也由于对设备的选用不合理，运行方式不合理，造成大量的电机处于低效率运行状态。很多电机在选配时没有认真规划，导致真正投入使用后电机额定功率对匹配功率过大（大马拉小车）或过小（小马拉大车）的问题。其中“大马拉小车”使电机多损耗了一部分空载损耗；而“小马拉大车”则使电机超负荷运行，电机负担过重，电机温升过高，严重影响电机使用寿命。
1.3 特殊工艺造成高耗低效运行
抽油机由于其特殊的运行要求，所匹配的电机必须同时满足最大冲程，最大冲次，最大允许挂重的三个要求，还须具有足够的堵转转矩，以克服抽油机启动时严重的静态不平衡。因此，往往抽油机在设计时确定的安装容量裕度较大。如6型抽油机配Y200L-6/18.5kW，10型抽油机配Y250M-6/30kW等，但实际功率却比额定功率要小的多。因此，在抽油机电机的选配上往往安装了容量较大的电机，增加了电机的空载损耗；而抽油机的特殊的负荷变化，使得电机的无用功增加，这都使采油系统和电机的效率较低。
2 降低抽油机井能耗的措施
2.1 淘汰老旧落后电机
高效节能型电机的电机损耗仅是传统落后电机的几分之一，但电机效率却明显高于同状态下一般电机，是老旧落后电机更替的首选。
（1）永磁同步电机。抽油机上使用的永磁同步电机是一种异步启动的同步电机，由转子交流启动后牵入同步运行，类似于交流同步电机。其运行是靠定子绕圈在气隙中产生的旋转磁场与转子上磁钢间的相互吸引，使转子与定子气隙磁场同步旋转而做功。其转子等效电阻电路，故功率因数高，因无磁励电流，其空载损耗小。电机效率可达96%左右，较三相异步电机高。
（2）直流电机。直流电机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。
（3）其他专用电机。对有特殊工艺要求的设备，其对电机某一方面性能的要求不同，应结合具体情况具体装配，尽量减少因普通电机为弥补专用电机性能而造成额外电机电耗。
2.2 正确匹配电机功率
在选择电机时应注意：（1）如果电机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电机长期过载，使其绝缘因发热而损坏，甚至电机被烧毁。（2）如果电机功率选得过大，就会出现“大马拉小车”现象。其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还会造成电能浪费。
要正确选择电动机的功率：
（1）对于恒定负载连续工作方式，所选电机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。
（2）短时工作定额的电机，与功率相同的连续工作定额的电机相比，最大转矩大，重量小，价格低。因此，在条件许可时，应尽量选用短时工作定额的电机。
（3）对于断续工作定额的电机，其功率的选择要根据负载持续率的大小，选用专门用于断续运行方式的电机。此外，也可用类比法来选择电动机的功率。所谓类比法。就是与类似生产系统所用电机的功率进行对比。
具体做法是：了解本单位或附近其他单位的类似生产系统使用多大功率的电机，然后选用相近功率的电机进行试车。验证所选电机与生产机械是否匹配。验证的方法是：使电机带动生产机械运转，用钳形电流表测量电机的工作电流，将测得的电流与该电机铭牌上标出的额定电流进行对比。如果电机的实际工作电流与铭牌上标出的额定电流上下相差不大，则表明所选电机的功率合适。
如果电机的实际工作电流比铭牌上标出的额定电流低70%左右，则表明电机的功率选得过大（即“大马拉小车”）应调换功率较小的电机。如果测得的电机工作电流比铭牌上标出的额定电流大40%以上，则表明电机的功率选得过小（即“小马拉大车”，应调换功率较大的电机。
2.3 合理调整系统参数，加强管理节能
电机的日常维护也是决定电机是否高效低耗经济运行的重要因素，要按照系统参数设置的要求，定期检查电机运转情况，优化管理和维护。避免电机长时间超负荷、高温运行，对电机效率过低、不能经济运行的电机要及时进行原因监测分析，调整负载状态，尽可能地保持电机长时间处于经济运行状态。
对运行的各个系统，进行正确的参数设置，监控电机与终端装置的匹配状况，避免“大马拉小车”和“小马拉大车”现象，让电机始终保持在经济运行位置。
机采系统具有电机启动电流大，运行功率远低于电机额定功率，负荷时刻变化，有上下两个临界点，这些特点要求定期使用嵌型电流表等简易仪器测试抽油机上下冲程最大电流，调整平衡度，使抽油机平衡度保持在80%-110%，将电机的无用功降低到最小。此外，对日产液量太小的油井，采取间开的方法，既可以聚积采油能量提高采油效率，又可节约间歇停井时的电量，如一天平均停井12小时，相应的可节省50%的电费。
2016年6月，我们选择了20口抽油机井进行电机中间轴改造，在不影响液量和原油正常生产的情况下，单井平均冲次降低1.8次/分，单井平均输入功率下降2.49千瓦，单井日节电59.5千瓦时，系统效率提高5.05%，综合节电率达29.8%。该技术的应用不仅解决了供液不足、动液面低、产能低的抽油机井运行能耗大的问题，而且解决了抽油机井其动力矩大与运行功率小之间的矛盾，避免了抽油机不必要的高速运行导致的能耗大、减速箱磨损快等问题。
2.4 使用软启动、变频调速装置或安装节电装置
通常感应电动机采用直接启动或一般启动的方法，电机的全压起动电流为额定电流的5-7倍，不仅损耗大，对电网冲击也大，机械磨损，振漏大。如果用变频调速启动，可以将起动电流限制到很小，即使是滿载起动，也只比额定电流稍大就可以了，损耗大大降低，既不冲击电网，又不冲击机械。
3 结束语
随着节能节电技术的不断发展，针对电机节电的各类节电装置也不断涌现，其主要原理是通过各种不同手段动态调节电机运行状态过程中的电压电流，在保证电机转速的前提下，保持电机的输出转矩与负载的精确匹配，有效地减少有功功率和无功功率损耗，也相应减少了磁损耗，同时使电机的功率因数提高。一般情况下综合节电率在15%以上。
参考文献
[1] 国家发展和改革委员会.SY/75264-2006.油田生产系统能耗测试和计算方法.北京：石油工业出版社，2006.