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【摘 要】抽油机是石化企业常用的地面动力传动设备，抽油机等设备装置的节能方法成为石化企业重点讨论和研究的对象。文章对抽油机及动力系统进行原理分析及计算，分析每个装置在不同情况的效率计算公式，增加变频调速装置来完善电动机的效率，同时对其中的机械与电气环节进行改良。通过设计变频调速节能系统，在运行的基础上分析其实际的能耗数据，结果表明，该系统有助于提升节能效果及经济效益，达到了很好的效果。
【关键词】抽油机；节能；变频
【中图分类号】TE933.1 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）12-0037-03
0 引言
抽油机在石化企业的使用已经有接近百年的历史，是常用的地面动力传动设备，它是“三抽”系统的重要组成部分并承担着主要作用。在抽油机的范围内，游梁式抽油机的使用时间最长，使用率高，并且使用范围和区域也非常广，它结构简单，操作方便，维护容易而且成本低，因此现在有许多产油企业仍然在大范围地使用它，这也是游梁式抽油机百年来受欢迎的原因。但是，随着一些油田石化企业进入开发后期，油井含油量不断下降，含水量在上升，使得石油开采的生产成本也在不断地增加，因此当前需要解决的问题还是开发研究抽油机节能设备，以提升抽油的效率，减少抽油的损耗。
从20世纪70年代开始，研究人员已经开始研究一些新型具有节能功效的抽油机来降低采油的生产成本，其中有杆抽油技术取得了实质性的突破，因此在最近的30年中，科学研究人员设计并且开发了具备节能效果的改进型抽油机。这些节能型抽油机可以最大限度地实现节约能源，提高运行的经济效益，取得良好的社会效益。采用节能技术，不但可以减少动力的损耗，还可以增强抽油机的性能，提升了其动力特性。此外，采用节能型抽油机可以减小抽油机的质量和占地面积，提高抽油机的使用率，并且使其具备智能化等。
节能设备的驱动包含了改变电动机的机械结构及其机械特性，要设计出一种电动机与抽油机工作特性匹配，并適应于抽油机所处环境。如果要提升电动机的效率，需要改变电动机的功率因数与转差率，功率因数的增加，可以反映电动机的节能效果，而转差率高的电动机同样可以达到节能的效果。传统的电动机转差率一般低于0.05，较高转差率的电动机的转差率一般在0.1～0.13之间，可以使用更高转差率的电动机来替代以前的电动机。
1 电动机节能工作原理
从原理和电机工作特性上来讲，电动机的选择是由其机械特性及负载特性决定的。电动机的效率和功率因数随负载变化的曲线如图1所示。
图1中，PN代表额定功率，P2代表电动机的输出功率，功率因数是cosf，效率为η。我们假设β=P2/PN为系统的负载率，β的取值范围处于0.75～1.00的时候，电动机的功率因数和效率接近额定负载时的功率因数和效率。如果β的取值范围处于0.50～0.60，电动机功率因数将会降低11%～14%，同时效率降低3.5%～4.5%；如果β的取值范围小于0.40的时候，功率因数降低21%～29%，而效率降低很大，达到10.5%～14.5%。这也就是抽油机在使用异步电动机时所存在的问题，绝大多数时间运行效率和功率因数低。因此，只能让电动机保持在较稳定状态下的负荷，才能符合抽油机所需要的额定的功率，同时电动机的功率因数方可以更加接近1。
根据上面的分析可知，抽油机工作效率不高的原因是抽油机工作特性和它所用的异步电动机的机械特征性能不完全匹配。
2 抽油机电动机功率的计算
抽油机的工作效率与交流异步电动机的很多参数有关，这些参数除了电动机自身的额定输出机械功率的数值和各种额定电气参数的数值外，还与电动机所带的负载机械特性有着密切的关系。在交流异步电动机输出的机械功率的数值低于额定功率的数值很多的情况下，这时异步电动机的工作效率比较低，从而降低了整个系统的工作效率。此外，由于一些特殊原因引起的效率低下，例如启动转矩较大的时候，带动比较小的负载或者选择小功率异步电动机机作为控制对象，这时就会出现不匹配的现象。在整个电动机输出机械功率大致相同的同时，电机在各个部分消耗能量的大小和形式是有所不同的，它最终的表现为铁损、铜损、机械损耗及其他损失。从抽油机的角度分析消耗的能量，是由于抽油机的工作状况和交流电机使用情况不匹配，并且异步电动机和游梁式抽油机工作状况相差较大，所以在抽油机所带的负载发生变化时，电动机所提供的速度没有进行相应的调整，以致电机输出的功率没有得到很好地利用，实际输出的能量不少，但大部分能量都没有得到有效地利用。从机械的角度看，大部分能量会在机械装置的内部应力中（峰值阻力矩高）被消耗，因此整体系统耗电量不低。抽油机采用的异步电动机的输出机械特性与负载特性决定了它的工作效果。下面分析异步电动机功率和转矩之间的联系。
M=9550■（1）
公式（1）中：M表示转矩，单位为N·m；N为电动机额定功率，单位为kW；n为悬点冲次，单位为min-1；η为电动机效率，η=η1×η2；η1为传送带传动效率；η2为变速箱传动效率。
则电动机的额定功率如公式（2）。
N=■（2）
从公式（2）可以看出，电动机的额定功率与转矩和转速的值有关，在负载不变的情况下，与两者的乘积呈正比关系。如果负载发生改变，那么上述计算方式也要改变。如果按照上面公式计算，会导致电机运行效率较低，影响系统节能效果。在这种情况下，需要改用下面的公式进行分析和计算。电动机功率与转速计算公式如公式（3）。
Nr=■（3）
公式（3）中：Nr为需要的电动机额定功率，单位为kW；n为悬点冲次，单位为min-1；η为电动机传动效率；Me为均方根转矩，单位为N·m。
上面公式里出现的均方根转矩，它也可以用等效法进行等效。具体操作是在电动机产生热量一致的情况下，那我们可以用瞬时转矩来等效均方根转矩的算法。 Me=■=■（4）
公式（4）中：M为曲柄轴实时转矩，单位为N·m，θ为曲柄转角。在进行计算的过程中，△θ的取值越小，那么相应计算结果会更加精确。
周期载荷系数（CLF）表达式如公式（5）。
CLF=■=■（5）
公式（5）中：Mi为曲柄在i的实时转矩，单位为N·m。
3 抽油机变频节能分析
电动机的节能在石化企业至关重要，我们一般使用節电率衡量电动机节能的性能。它表示了电动机下降功率与有功功率的比值。公式如下。
ψ=■%（6）
公式（6）中：ψ为节电率；N，Ne为改造前、后电机的输出功率，单位为kW。
由公式（3）可知，Me的值越低，Nr的值越低，电机的输出功率变低。可以看出，从上面公式的求解，可以看出电动机工作状态发生改变，输出功率下降，从而消耗的电能减少。而电动机转矩变化的平稳性增加，电动机的工作状况得到很好的改良，提高了工作效率，从而实现节能的目的。
改良以后的抽油机变频节能效果可以通过对其中的运行数据进行分析计算。改造以前，平均有功功率为6.6 kW，改造后为6.1 kW，节约电能约7%。单井每天节约电能10 kW·h，那么540口油井一年节约电能达到10 kW·h。同时，对其控制柜进行改良，改良前，平均有功功率为9.5 kW，改造后为8.4 kW，节电率达到11%。从以上分析可以看出，运用变频调节可以节约电能。
以全天24 h运行的中小型抽油机配套的75 kW异步电动机为例，企业增加75 kW异步电动机配置抽油机变频节能控制设备成本约6万元。每台抽油机年平均节约用电量为15 kW·h。每年节电为15万kW·h×11%=16 500 kW·h。现在根据调查地区工业用电的价格为0.975元/kW·h，这样单台设备每年节约电费为16 500×0.975=16 087.5元。运用此技术还可以节省其他设备（如软启动装置及保护装置等）所需的费用2 000元。那么，节省的总费用为18 087.5元，投资的回收周期为60 000/18 080≈3.3年。
从以上分析可以看出，投入变频节能装置不但可以从实质上达到节能的效果，而且可以使投资回收周期变短，从而获得更好的经济效益。
4 总结
石化企业电动机节能越来越受到重视，抽油机等设备装置的节能方法更成为石化企业重点讨论和研究的对象。本文通过计算和分析，分析每个装置在不同情况的效率计算公式，增加变频调速装置来完善电动机的效率，同时对其中的机械与电气环节进行改良，使得最后综合效率提高，达到企业生产的需要。
参 考 文 献
[1]钟平，李正平，黄建辉，等.抽油机井高效节能技术[J].国外油田工程，2002（2）：32-35.
[2]张卓.基于LabVIEW的油田注水泵变频远控系统[J].企业科技与发展，2016（8）.
[3]陈立国.机械优化设计[M].上海：上海科学技术出版社，2012.
[4]JR.Eickmeier.Pumping Well Optimization Techniques[J].The Journal of Canadian Petroleum，2013（6）：4-6.
[5]R.Saidur.Renewable and Sustainable Energy Reviews[J].2009，14（3）：877-898.
[6]阮毅.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2013.
[责任编辑：钟声贤]
【关键词】抽油机；节能；变频
【中图分类号】TE933.1 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）12-0037-03
0 引言
抽油机在石化企业的使用已经有接近百年的历史，是常用的地面动力传动设备，它是“三抽”系统的重要组成部分并承担着主要作用。在抽油机的范围内，游梁式抽油机的使用时间最长，使用率高，并且使用范围和区域也非常广，它结构简单，操作方便，维护容易而且成本低，因此现在有许多产油企业仍然在大范围地使用它，这也是游梁式抽油机百年来受欢迎的原因。但是，随着一些油田石化企业进入开发后期，油井含油量不断下降，含水量在上升，使得石油开采的生产成本也在不断地增加，因此当前需要解决的问题还是开发研究抽油机节能设备，以提升抽油的效率，减少抽油的损耗。
从20世纪70年代开始，研究人员已经开始研究一些新型具有节能功效的抽油机来降低采油的生产成本，其中有杆抽油技术取得了实质性的突破，因此在最近的30年中，科学研究人员设计并且开发了具备节能效果的改进型抽油机。这些节能型抽油机可以最大限度地实现节约能源，提高运行的经济效益，取得良好的社会效益。采用节能技术，不但可以减少动力的损耗，还可以增强抽油机的性能，提升了其动力特性。此外，采用节能型抽油机可以减小抽油机的质量和占地面积，提高抽油机的使用率，并且使其具备智能化等。
节能设备的驱动包含了改变电动机的机械结构及其机械特性，要设计出一种电动机与抽油机工作特性匹配，并適应于抽油机所处环境。如果要提升电动机的效率，需要改变电动机的功率因数与转差率，功率因数的增加，可以反映电动机的节能效果，而转差率高的电动机同样可以达到节能的效果。传统的电动机转差率一般低于0.05，较高转差率的电动机的转差率一般在0.1～0.13之间，可以使用更高转差率的电动机来替代以前的电动机。
1 电动机节能工作原理
从原理和电机工作特性上来讲，电动机的选择是由其机械特性及负载特性决定的。电动机的效率和功率因数随负载变化的曲线如图1所示。
图1中，PN代表额定功率，P2代表电动机的输出功率，功率因数是cosf，效率为η。我们假设β=P2/PN为系统的负载率，β的取值范围处于0.75～1.00的时候，电动机的功率因数和效率接近额定负载时的功率因数和效率。如果β的取值范围处于0.50～0.60，电动机功率因数将会降低11%～14%，同时效率降低3.5%～4.5%；如果β的取值范围小于0.40的时候，功率因数降低21%～29%，而效率降低很大，达到10.5%～14.5%。这也就是抽油机在使用异步电动机时所存在的问题，绝大多数时间运行效率和功率因数低。因此，只能让电动机保持在较稳定状态下的负荷，才能符合抽油机所需要的额定的功率，同时电动机的功率因数方可以更加接近1。
根据上面的分析可知，抽油机工作效率不高的原因是抽油机工作特性和它所用的异步电动机的机械特征性能不完全匹配。
2 抽油机电动机功率的计算
抽油机的工作效率与交流异步电动机的很多参数有关，这些参数除了电动机自身的额定输出机械功率的数值和各种额定电气参数的数值外，还与电动机所带的负载机械特性有着密切的关系。在交流异步电动机输出的机械功率的数值低于额定功率的数值很多的情况下，这时异步电动机的工作效率比较低，从而降低了整个系统的工作效率。此外，由于一些特殊原因引起的效率低下，例如启动转矩较大的时候，带动比较小的负载或者选择小功率异步电动机机作为控制对象，这时就会出现不匹配的现象。在整个电动机输出机械功率大致相同的同时，电机在各个部分消耗能量的大小和形式是有所不同的，它最终的表现为铁损、铜损、机械损耗及其他损失。从抽油机的角度分析消耗的能量，是由于抽油机的工作状况和交流电机使用情况不匹配，并且异步电动机和游梁式抽油机工作状况相差较大，所以在抽油机所带的负载发生变化时，电动机所提供的速度没有进行相应的调整，以致电机输出的功率没有得到很好地利用，实际输出的能量不少，但大部分能量都没有得到有效地利用。从机械的角度看，大部分能量会在机械装置的内部应力中（峰值阻力矩高）被消耗，因此整体系统耗电量不低。抽油机采用的异步电动机的输出机械特性与负载特性决定了它的工作效果。下面分析异步电动机功率和转矩之间的联系。
M=9550■（1）
公式（1）中：M表示转矩，单位为N·m；N为电动机额定功率，单位为kW；n为悬点冲次，单位为min-1；η为电动机效率，η=η1×η2；η1为传送带传动效率；η2为变速箱传动效率。
则电动机的额定功率如公式（2）。
N=■（2）
从公式（2）可以看出，电动机的额定功率与转矩和转速的值有关，在负载不变的情况下，与两者的乘积呈正比关系。如果负载发生改变，那么上述计算方式也要改变。如果按照上面公式计算，会导致电机运行效率较低，影响系统节能效果。在这种情况下，需要改用下面的公式进行分析和计算。电动机功率与转速计算公式如公式（3）。
Nr=■（3）
公式（3）中：Nr为需要的电动机额定功率，单位为kW；n为悬点冲次，单位为min-1；η为电动机传动效率；Me为均方根转矩，单位为N·m。
上面公式里出现的均方根转矩，它也可以用等效法进行等效。具体操作是在电动机产生热量一致的情况下，那我们可以用瞬时转矩来等效均方根转矩的算法。 Me=■=■（4）
公式（4）中：M为曲柄轴实时转矩，单位为N·m，θ为曲柄转角。在进行计算的过程中，△θ的取值越小，那么相应计算结果会更加精确。
周期载荷系数（CLF）表达式如公式（5）。
CLF=■=■（5）
公式（5）中：Mi为曲柄在i的实时转矩，单位为N·m。
3 抽油机变频节能分析
电动机的节能在石化企业至关重要，我们一般使用節电率衡量电动机节能的性能。它表示了电动机下降功率与有功功率的比值。公式如下。
ψ=■%（6）
公式（6）中：ψ为节电率；N，Ne为改造前、后电机的输出功率，单位为kW。
由公式（3）可知，Me的值越低，Nr的值越低，电机的输出功率变低。可以看出，从上面公式的求解，可以看出电动机工作状态发生改变，输出功率下降，从而消耗的电能减少。而电动机转矩变化的平稳性增加，电动机的工作状况得到很好的改良，提高了工作效率，从而实现节能的目的。
改良以后的抽油机变频节能效果可以通过对其中的运行数据进行分析计算。改造以前，平均有功功率为6.6 kW，改造后为6.1 kW，节约电能约7%。单井每天节约电能10 kW·h，那么540口油井一年节约电能达到10 kW·h。同时，对其控制柜进行改良，改良前，平均有功功率为9.5 kW，改造后为8.4 kW，节电率达到11%。从以上分析可以看出，运用变频调节可以节约电能。
以全天24 h运行的中小型抽油机配套的75 kW异步电动机为例，企业增加75 kW异步电动机配置抽油机变频节能控制设备成本约6万元。每台抽油机年平均节约用电量为15 kW·h。每年节电为15万kW·h×11%=16 500 kW·h。现在根据调查地区工业用电的价格为0.975元/kW·h，这样单台设备每年节约电费为16 500×0.975=16 087.5元。运用此技术还可以节省其他设备（如软启动装置及保护装置等）所需的费用2 000元。那么，节省的总费用为18 087.5元，投资的回收周期为60 000/18 080≈3.3年。
从以上分析可以看出，投入变频节能装置不但可以从实质上达到节能的效果，而且可以使投资回收周期变短，从而获得更好的经济效益。
4 总结
石化企业电动机节能越来越受到重视，抽油机等设备装置的节能方法更成为石化企业重点讨论和研究的对象。本文通过计算和分析，分析每个装置在不同情况的效率计算公式，增加变频调速装置来完善电动机的效率，同时对其中的机械与电气环节进行改良，使得最后综合效率提高，达到企业生产的需要。
参 考 文 献
[1]钟平，李正平，黄建辉，等.抽油机井高效节能技术[J].国外油田工程，2002（2）：32-35.
[2]张卓.基于LabVIEW的油田注水泵变频远控系统[J].企业科技与发展，2016（8）.
[3]陈立国.机械优化设计[M].上海：上海科学技术出版社，2012.
[4]JR.Eickmeier.Pumping Well Optimization Techniques[J].The Journal of Canadian Petroleum，2013（6）：4-6.
[5]R.Saidur.Renewable and Sustainable Energy Reviews[J].2009，14（3）：877-898.
[6]阮毅.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2013.
[责任编辑：钟声贤]