研制游梁式抽油机多功率电力拖动装置

2012-11-10中国石化中原油田分公司采油四厂设备管理QC小组

石油工业技术监督 2012年11期

关键词：接线盒控制箱大功率

中国石化中原油田分公司采油四厂设备管理QC小组

（河南濮阳 457176）

研制游梁式抽油机多功率电力拖动装置

中国石化中原油田分公司采油四厂设备管理QC小组

（河南濮阳 457176）

1 小组概况

小组概况与小组成员情况（表1、表2）。

2 选择课题

中国石化中原油田采油四厂共有502口油井，其中499口采用游梁式抽油机抽汲生产，它的电力拖动装置由电动机和控制箱两部分组成。此种抽油机运行平稳可靠，但与电力拖动装置匹配性差，电动机装机功率远大于实际运行需要。这是因为：一是抽油机起动载荷约为正常运行载荷的3～8倍，为了顺利起动，需按最大扭矩选配电机，而正常运行时，电动机的平均转矩总是低于抽油机最大扭矩，电动机功率明显富余；二是如果按照抽油机正常运行载荷配备电动机，当遇到抽油井轻微砂卡、蜡卡及泵挂加深、抽油机冲次加快等情况时，会造成电动机超载停机，甚至烧毁。因此，通常选择安装较大功率的电动机，导致“大马拉小车”的现象，能耗较高、功率因数低、效率低。

2010年，中原油田技术监测中心测试了采油四厂6个油藏经营管理区301口游梁式抽油机井的系统效率。SY/T 6374-2008《机械采油系统经济运行规范》要求电动机功率利用率不低于20%，而采油四厂单井最低电动机功率利用率11.41%，达不到标准规定的功率利用率指标。不合格井数138口，不合格率45.8%（表3），不达标现象较为普遍。

表1 小组概括

表2 小组成员情况

表3 采油四厂2010年机采系统效率测试结果

小组调查了解到，目前市场上还没有专门针对抽油机负荷变化自动调整额定功率的电力拖动装置，而变频技术是依靠降低电动机转速，减慢抽油机冲次以减少做功，达不到不改变冲次而减少做功的目的。因此，小组决定选择“研制游梁式抽油机多功率电力拖动装置”作为活动课题。

3 设定目标

（1）根据抽油机启动—运行需要，所研制的电动机具有2种以上额定功率，大功率设定为37～55kW，小功率约为大功率的50%。

（2）根据油井负荷变化，电动机自动运行在最经济的额定功率状态。

4 提出方案并确定最佳方案

4.1 提出电动机类型方案

小组设计了4种多功率电机（图1），并从适用性、经济性、技术难度3个方面进行了分析。

图1 多功率电机类型方案图

以上4种方案均能实现大功率设定为37～55kW，小功率约为大功率50%的双功率输出目标；小组考虑到双定子等3种方案需要重新制作电动机绕组，工艺复杂，费用高，而角、星接法双功率电动机制作简单、操作容易，且现场在用的电动机中约有30%为此类型，可以直接利用。因此，小组确定采用此方案，并进一步分解优化。

（1）双功率电机需要接2条动力电缆到控制箱，普通接线盒内部容积不能满足要求，对接线盒结构提出3种方案，并分析优选（表4）。

由于双功率电机需要从控制箱接2根控制电缆到电动机接线盒，小组考虑到Y280/315异形双孔接线盒方案投入成本低，相对于其他2种方案易于管理和操作，因此，采用此方案。

（2）对接线盒材料和加工方法，小组提出4种方案，并优选分析（表 5）。

小组考虑到钢板冲压费用低，相对易于实施和质量控制，确定采用钢板冲压方案。

（3）对接线盒密封方式，小组提出3种方案，并优选分析（表6）。

由于外包式防水性能好，故确定采用。

4.2 提出角、星接法大小功率转换控制箱方案

角、星接法大小功率转换控制箱方案（图2）。

图2 角星接法转换方法选择图

小组成员对以上4种转换控制箱进行分析，数字控制转换控制箱与其他方案相比，控制准确、及时、灵敏度高，费用适中，采用此方案。

对于选定的数字控制箱，数字自动可逆转换保护器是核心，小组设计绘制了其工作流程图，电流取值方法以及大、小功率转换比较分析时间还需要确定。

表4 电机接线盒结构方案优选表

表5 电机接线盒材料及加工方法优选表

表6 电机接线盒密封方式优选表

（1）小组对大小功率转换的电流取值方法提出3种方案，并进行了试验和优选分析（表7）。

抽油机负荷有正弦交变工作特性，连续电流法既放宽抽油机换向等特殊点的瞬时峰值电流限制，又要求其他相位阶段的运行电流相对稳定，可保证条件内的平稳运行和异常条件下的转换，确定采用此方案。

（2）小组对大功率转换小功率比较分析时间的方法提出3种方案，并进行了优选分析（表8）。

小组分析，大功率转小功率时间早几秒或晚几秒，对平稳运行和节能效果影响不大，而定时限方案设定最简单、比较分析最容易，确定采用此方案。

（3）小组对小功率转换大功率比较分析时间的方法提出3种方案，并进行了优选分析（表9）。

小组分析，小功率转大功率若不及时，会造成超载烧电机的问题，对生产平稳运行影响非常大。而非常反时限转换方法比较分析相对简单，可根据超载程度按特定关系缩短转换时间，有利于保证设备安全平稳运行，确定采用此方案。

4.3 确定最佳方案

根据以上方案分析优选，小组确定了研制游梁式抽油机多功率电力拖动装置的最佳方案（图3）。

5 制定对策

针对确定的最佳方案，小组制定出了相应的对策、目标及具体措施，同时配备负责人监督措施的实施和完成（表10）。

6 实施对策

6.1 研制角、星接法双功率电机

设计制作Y280/315异形双孔接线盒：①接线盒座与接线盒盖分别用整块钢板做成；②盒座与电机连接螺栓孔配套,盒内容积增大80%，能保证接入2条动力电缆，通过保护器控制角、星接触器，使电机在角、星运行方式之间转换；③模拟淋雨试验，接线盒内干燥未进水。

表7 电流取值方法优选表

表8 大功率转小功率比较分析时间优选表

表9 小功率转大功率比较分析时间优选表

图3 最佳方案

6.2 研制数字控制自动可逆转换控制箱

（1）编写保护器数字控制自动可逆转换技术要求。①连续电流法。每0.5s采集一个电流值样本，内部记忆达到设定标准值的连续情况；②大功率转小功率。当采集电流值连续20s小于设定值H-时，转换到小功率状态运行；③小功率转大功率。按非常反时限特性进行转换；④设计保护器控制面板（图4）。

图4 保护器控制面板

表10 对策表

（2）定制保护器并试验。对样品做室内加载试验。①通电后，电流显示窗口每0.5s显示一个电流值样本，随时搜集符合条件的连续时间段才进行转换；②通电后，“高”指示灯亮（角接法大功率状态起动），从“高”指示灯亮（角接大功率）转入“低”指示灯亮（星接小功率运行）；③“低”指示灯亮（星接小功率运行）期间，调整升流器电阻，分级升高电流。

（3）设计可逆转换控制箱装配图（图5）。（4）将控制箱各零部件组装在一起。

6.3 现场应用

（1）试用及测试。2011年4月26日，将装置安装到W266-9等9口井试用。经小组测试，平均电动机功率利用率37.6%，平均功率因数0.62，平均综合节电率15.765%，效果显著，且运行平稳。

（2）推广应用。试用效果报厂装备主管部门同意后，2011年6月，又应用多功率电力拖动装置94套，共推广应用103套，电动机部分全部利用现场的角接形电机，只投入了新接线盒，控制箱部分，其中78台利用修旧箱体、元器件，25台投入新控制箱。

图5 控制箱装配图

7 效果确认

7.1 目标检查

2011年12月，小组成员对使用的103套装置进行了回访，均能根据抽油机井负载大小情况，自动在角、星2种不同大小的功率间转换，大功率均在37kW到55kW之间，小功率为大功率的57.7%；且运行安全平稳，活动目标实现。

小组请工程技术监督站委托中原油田技术监测中心对使用多功率电力拖动装置的103台抽油机进行了测试（表11）。

从表11中可以看出，最低电动机功率利用率20.02%，平均功率利用率35.12%，均达到SY/T 6374-2008《机械采油系统经济运行规范》标准要求，合格率100%。平均功率因数0.605，平均综合节电率达到14.5%。

7.2 经济效益

投入483 900元,折旧期按8年计算，2011年使用 6 个月,折旧后实际投入:483 900÷8÷12×6=30 244（元）。

表11 新装置测试结果

根据技术监测中心测试结果，平均综合节电率14.5%,每台每月节电260kW·h,103台使用6个月共节电：260×14.5%×365×103÷12×6=708 666（kW·h），当年节约用电产生效益：0.763 2×708 666=540 854（元）。

当年创效：540 854-30 244=510 610（元）。

7.3 社会效益

活动成果提高了电动机设备功率因数，降低了无功电流和电机损耗。提高了现场使用电流法测试抽油机平衡度的准确性，为调平衡提供了科学的依据，有助于延长设备使用寿命。同时，节电效果非常显著，大大节约了电力资源，为企业节能降耗做出了积极的贡献，在油田生产一线具有很好的推广价值和现实意义。

8 标准化

（1）整理技术图纸和资料,装订成册,编号 JN 2011-01，留装备科存档保管，便于日后工作中使用。

（2）小组编写了视频培训课件，采用了课堂教学与现场演示2种办法，培训现场工人掌握该装置应用技术，并由技术培训部门考核，全部合格。

（3）从现场测试可以看出，该装置显著提高抽油机电动机功率利用率和电机功率因数，电动机功率利用率达到35%，远大于SY/T 6374-2008《机械采油系统经济运行规范》不低于20%的标准规定。自然功率因数达到0.6，超过了SY/T 6275-2007《油田生产系统节能监测规范》不低于0.4的标准规定。2012年，采油四厂已列专项资金，推广应用该技术。