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1、、八、前言目前，抽油机是应用最普遍的石油开采机械之一，也是油田 耗电大户，其用电量约占油田总用电量的 40，且总体效率很 低,据调查一般在 30%左右。油田抽油机负载是独具特点的时变 负载：有动、静负载特性之分。起动初始状态要求拖动电机的起 动力矩是抽油机实际负载的 34 倍,甚至更大，起动力矩是抽油 机选配电机的第一要素。当起动力矩适用则负载功率必然匹配不 佳，运行负载功率都远小于电机的额定功率，即所谓“大马拉小 车”现象。过剩的抽油能力令抽油机的无功抽取时间增加，造成 油井开采的电费成本居高不下，能源浪费十分严重。可见抽油机 的节能潜力非常可观。1 抽油机井节能技术抽油机-深井泵举升本身是
2、一种耗能的举升工艺，一旦在测 试中发现能耗为负,则一定说明测试中存在问题。但是由于抽油 机-深井泵举升过程中由于悬点载荷呈周期性变化，悬点载荷的 不均匀性，必然导致在其能耗过程中表现出了一定的特殊性.正 是由于这种特殊性，也为抽油机井实施节能降耗带来了一定的前 提条件，也可以肯定地说，目前抽油机井节能措施无不针对其能 耗的特殊性而采取的。抽油机节能技术主要是围绕上述三个特点实现的。从目前应 用的抽油机井节能技术主要有三大类：一是提高功率因数类。如电容补偿、永磁电机.二是提高电机功率利用率类。如高转差电机、多速电机、Y-A转换控制箱.三是改善电机消耗功率不均衡类.主要是液力藕合器、离合 器等。1
3、。1其它节能技术其它节能技术中主要介绍液力藕合器、离合器的工作原理。 其实这两种技术的工作原理相同，就是改善电机消耗功率不均 衡。不同点是前者安装在电机的输出端,后者安装在抽油机减速 箱的输入端，取代大带轮.其原理是电机启动后，液力藕合器或离合器开始积蓄能量， 当积蓄的能量足够大时，便释放能量帮助电机带动了抽油机减速 箱齿轮旋转，实现了电机的软起动.在抽油机动转过程中，当负 荷小时，液力藕合器或离合器积蓄能量，当负荷大时释放能量， 从而使电机工作在负荷较为均衡的工作条件之下 ,从而实现节能。1.2 抽油机的电能消耗的特点由于抽油机井悬点载荷呈周期性变化，因而从能耗上也会呈 现出周期性变化的特点
4、。一般情况下，我们认为抽油机井的悬点 载荷在一定的时间内有着很好的重复性，因而从能耗角度也会很 直接地反映其重复性。抽油机在运转过程中其能量消耗主要有以 下几个方面的特点：一是其能耗的不均衡性。主要表现在上下冲程过程能量消耗 不等,而且受到平衡状况的影响。平衡效果好，其不均衡性表现 差，平衡越不好,不均衡衡性表现越强，甚至会出现上下冲程能 耗比值为负;二是表现为平均有功功率与电机额定功率比值较低的特点。 这主要是由于抽油在启动时需要较大的转矩，因而在选择抽油机 电机时，额定功率选择较大.从近十年的现场测试能耗数据的结 果表明，电机的功率利用率一般的三分之一以下，最高的也不会 超过 45%.三是
5、表现为常规电机的低功率因数特点。从现场测试的结果 表明，抽油机在使用常规的 Y 系列电机时，其功率因数一般在 0.4 以下，最高的也没有超过 0。75.产生的原因有二:一是电机 的利用率较低；二是感性负荷表现强烈。1。3 各种节能方式的优缺点优势：实现了运行负载与电机输出负载间的合理匹配，确保了电 机始终在高效区运行。节电效果显著：由于双绕组电机具有三个功率可供选用， 有功节电率在 19左右。自动控制实现的过程简单，运行平稳可靠。 目前直接针对抽油机节电的技术主要有两大类：1）开发不同类型的抽油机节能电机。如高转差率电机、三相永 磁同步电机、高起动转矩双定子结构电机和电磁调速电机（变极 双速电
6、机）等。2）使用节能配电箱。如定子绕组Y-转换调压、电容器动态无功 补偿及静态无功补偿、可控硅调压（软起动）、液态电阻软起动、 变频电源等1。3.1 抽油机节能电机1）超高转差率电机从电机学原理可知，电机堵转转矩与两个因素有关，一是电 机的功率；二是电机的转差率。电机功率越大,其堵转转矩越大； 电机的转差率越大，其堵转转矩越大。从节能角度理解应当选择 转差率高的电机。因为高转差电机可大幅降低抽油机电机机座 号，从而实现节能的目的。从中区西部节能试验区的应用效果， 使用高质量的高转差电机平均实现节能 12%以上。但有一个重要 的因素限制，即转差率越高，电机工作发热越严重，因而解决电 机工作高温问
7、题是实现高转差的主要因素。从目前应用的高转差电机均为引进技术。一是美国技术；二 是俄罗斯技术。两种技术特别有着本质的区别。美国技术着重从解决电机的散热问题角度来提高电机的转 差率。使用的材料是铝合金材料，它利用铝合金材料的散热能力 强的特点提高电机的转差率 .CJT 系列高转差电机是这一技术的 代表产品。俄罗斯技术着重从提高电机绕组的绝缘等级，实现提高电机 搞高温性提高电机的转差率.YCCH系列电机是这一技术的代表产 品.据称在美国油井上已安装几万台，节电率达 20。但在我国实 测结果是超高转差电机只在轻载 30以下负载时有节电效果。 主要原因：首先要使用超高转差率电机节电，对象必须是振动载
8、荷大的井（美国油井的振动载荷惯性载荷都大）。其次要求电机 的转差率要适度，不可过高 ,一般说各大油田，电机转差率的最 大值不能超过 68。近些年，采油工艺的发展日趋于大冲 程、低冲次,这种工艺本身就能最大限度的减少惯性负荷和振动 负荷,因此超高转差率电机的应用范围被大大缩小.2）多速电机该电机主要是通过设计电机定子,在定子中安装两套不同极 对数的定子绕组，并结合高转差电机的设计特点 ,通过提高定子 绕组的绝缘等级，使电机实现了双速、双功率、高转差的技术特 点，从而实现了节能的效果。从节能机理上主要有两点，一是具 备的高转差的节能技术特点；二是具备了通过自动调整接线方式 实现双速（双功率）运行的
9、特点，揭晓高了电机的功率利用率。3）永磁同步电机 这是一种油田所用的新型抽油机电机，其效率和功率因素都优于 一般异步电机。电机本身是硬特性，运行中无转差.如 TYC250M-6, 功率37KW，功率因素0.983，额定电流60.6A,堵转电流12.7 倍，堵转力矩3。69 倍。缺点：和高转差电机比，没有消减振动 载荷的能力,反而会增大对减速箱齿轮的冲击损害；釹铁硼材料 本身的居里点只在120C 130C,旦电机烧毁就会失磁;此外转子级数已定，不能适用调参的需要实行变极调速。4）双定子电机 双定子电机是一种新型的异步电机，做成两部分定子。起动时集 两部分的合力矩以加大起动力矩，待起动完成时则切除
10、一部 ,留 下另一部分运行，以适应低负荷时以低功率来匹配达到节电的目 的。缺点电机的制造难度和成本增加。5）电磁调速电机在抽油机既定的负荷条件下,通过仅改变其绕组结构完成6/8 极， 8/12极的单绕组非倍极改型设计，使其运行在原井抽油机上，其 负荷率从 2080变化，电机都运行在高效区，这种方式既 适用于旧电机改造，又适用于新电机生产。2 节能电机的更新原则21 拖动装置节能的理论基础抽油机井节能在理论上所追求的是“抽油机井的机械特 性与电机特性间的合理匹配”,真正实现抽油机井运行负载与电 机输出负载间的合理匹配。22 更新节能电机的原则 选择电机时要综合考虑,首先确定电机的类型，然后再选
11、择电机的功率,最后需要考虑的是投资问题。（1）节能电机类型的选择抽油机用节能电机有高转差率电机、超高转差率电机和 永磁电机三种类型。如何选择合适的电机类型，涉及到各种类型 的电机在游梁式抽油机上工作特性的评价.应对抽油机井实际工 况进行具体分析后，才能做出较为合理的选择。从以下几个方面 进行比较： 电机启动性能，要求其配套的拖动装置应具备较软的 启动特性. 电机的过载性能力 电机的节电效果3 节能配电箱的种类及节能原理节能配电箱主流产品有三大类:一类是实现自动调节电机工 作电压的配电箱；另一类是实现自动调整电机接线方式变换电机 工作功率；第三类是实现自动无功补偿的配电箱；第四类是实现 电容器动
12、态无功补偿及静态无功补偿的配电箱.3.1 自动调节电机工作电压的原理该技术是利用跟踪电路,对电机的工作电流进行跟踪,并通过 控制电路，控制主回路中的大功率晶体管（即可控硅）的导通角 实现大电流工作时导通角大,工作电压大；小电流工作时导通角 小，工作电压小。由此实现电机在不同负荷条件下工作电压的自 动控制，从而实现节能的目的.该技术的特点是，实现电机工作电压的自动控制，并且直接 受到接线方式的限制。其节能效果也受到产品的一个重要指标的 限制，即：动态响应时间.动态响应时间越短,跟踪调压的效果就 越好,节能效果就越显著。 但该技术在应用过程中有可以出现涌流现象 ,即有可能产生高压 二次谐波，从而对
13、供电电网造成污染.3。2 自动调整电机接线方式电机正常运行时，定子绕组为接法，起动时为Y接法。起 动时绕组电压为电网额定线电压的根号 3 分之一，起动电压降 低，待接近额定转速时，定子绕组转换为接法，控制简单，但 每次起动需要人工干预，减压范围一定，用途受到限制。该技术 节能的基本原理是YA转换，即使抽油机在启动过程中采用A 形接法，实现以较大的功率进行启动；而在抽油机正常运转时采 用Y形接法，实现以较小的功率运行.最初的YA转换采用的 用时间继电器的控制方法，即时间继电器在电机启动（或抽油机 启动）过程中对时间进行控制，待一段时间完成后自动转换到 Y 形接法。YA转换的额定功率比为1:1.7
14、32.目前采用的控制方法与自动调节电机工作电压的原理基本 相似，它是通过对电流的跟踪，待启动过程结束（这段时间电机 的启动电流较正常工作电流高于 2 倍左右），工作电流恢复时， 利用控制技术直接将电机接线方式进行变换.3。3。1 自动无功补偿自动无功补偿技术也称为动态无功补偿技术 .该技术是将电 容补偿技术与自动调节电机工作电压技术两者结合的产物.该技 术是利用跟踪电路，对电机的工作电流进行跟踪，并通过控制电 路，控制并联回路中的大功率晶体管（即可控硅）的导通角，实 现大电流工作时导通角小，电容补偿量大；大电流工作时导通角 小，电容补偿量小。由此实现电机在不同负荷条件下电容补偿量 的自动控制，
15、从而实现节能的目的.332电容器动态无功补偿及静态无功补偿无功补偿的基本原理是把容性负荷与感性负荷并联在同一 个系统中，能量在两者之间互相转换。这样，感性负荷所需的无 功功率可由容性负荷提供，功率因数也提高了，也减小了无功损 耗,还可以提高设备的有功功力、降低功率损耗和电能损失。根 据以上的想法，如果在高压电动机起动时并联适当电容值的电容 器，同样可以补偿起动时的无功功率，减小起动电压降。其工作 原理是:在启动高压电动机时，同时将电容器投入，经过适当的 时间，迅速退出电容器组。整个过程可理解为无功功率的就地补 偿,只是时间很短。电容补偿起动的优点在于起动时，电动机的端 电压不降低同样可以减少起
16、动电流，并且不减少起动转矩，缩小 起动时间。图1电容补偿起动控制系统图3。3.3可控硅调压（软起动） 一般称之为电机的软起动，通过采用晶闸管调压电路来控制电压的大小。如图2所示：图2晶闸管调压电路虽然采用双向晶闸管实现了定子电压随负载变化的连续调节，节 电效果较好，但是电源电流波形发生畸变，电网谐波污染严重， 另外在油田的恶劣环境下，其可靠性等都受到制约。同时结构复 杂，成本较高.3。3.4液态电阻软起动在起动过程中，将可变电阻串入定子，实现限流，在起动完成后 将它短接。电阻的可变性是靠改变电解液电阻箱的极板距离实现 的.电解液电阻箱串入定子的方法在本质上属于降压起动，它是 以牺牲起动力矩为代价的。电阻值随着电机转速的升高而均匀减 少，借以不断
