抽油机用电动机节电特性试验研究

2013-09-07冯子明张金东顾慧彬王丽丽

石油矿场机械 2013年7期

冯子明，张金东，顾慧彬，王丽丽

（东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318）

游梁式抽油机因为结构简单、易损件少、可靠性高、耐久性好、操作维修方便等优点，一直处于有杆采油设备的主导地位，约占总数的75%。据统计：油田生产成本的1／3为电能消耗，目前我国抽油机电动机的总装机容量在3 500MW以上，年耗电超过100亿kW·h，而且电机普遍负载率小、效率低，严重影响油田的综合开发效益。

1993年，汤淑文［1］通过考虑抽油机载荷波动特性和启动特性进行试验研究，通过回归分析数据得出结论：电动机名义功率利用率不宜高于35%；当电机额定功率大于5倍光杆功率时，最好更换电机。陈俊俊［2］试验研究了JQ2和Y系列电动机负载率与效率的关系，并给出大致的高效工作区域。刘宏［3］以载荷波动因数（CLF）为判断抽油机悬点载荷波动的标准，并划分了不同转差率电机与CLF的匹配关系。段秉红［4］通过对电动机运行机械特性与抽油机负载特性研究，建立了抽油机和电动机配套选择的模板，并给出了简易算法。以上科研工作者的成果都已得到应用并具有良好的效果，但是目前抽油机用拖动电机种类越来越多，其负载率与节电率的关系是不同的［5］。因此，有必要通过试验来研究抽油机用电动机的性能。本文选择三相异步、双功率和高转差率电动机为研究对象，以模拟井为试验平台进行试验研究。

1 试验及计算方法

试验选用大庆油田采油工程研究院的模拟试验井，井深1 000m，抽油机为CYJ10－3－37HB型，循环介质为水。动液面、冲次、冲程、泵径、杆径、泵挂等抽汲参数均为可调。测试仪器包括3169型功率转矩转速测试仪、示功图测试仪及动液面测试仪。可测试参数包括；电动机输入电参数（电压、电流、有功、无功、功率因数等）；电机输出轴、减速箱输入输出轴的转矩和转速；悬点位移与载荷等。试验电动机包括Y、YS、YCCH等系列，例如Y37kW，Y22 kW，YS55／37／22，YH22kW 等。

2 测试结果与讨论

2.1 三相异步电动机试验对比

三相异步电动机由37kW更换为22kW后计算结果如表1～4所示。当大功率电机（37kW）平均负载率较低时，换用小功率电机（22kW）后节电率和功率因数都有显著提高，无功节电当量对综合节电率的增益相对稳定，保持在一定范围。当37 kW电机平均负载率达到大约25%以上，更换22 kW电机后，几乎见不到有功功率的节电效果，此时说明已经没有节电空间，即单从节电的角度已经没有电机“降档”的必要，但此时功率因数会得到显著提高，即无功功率显著降低。

表1 电机负载率与节电率关系

表2 电机更替前后无功功率降低率

表3 电机更替前后峰值电流对比

表4 更换电机前后各节点测试参数变化

通常，小功率电动机的转差率稍大（如图1），更换小功率电机后具有一定降载效果，按电机输入功率、电机输出转矩、减速箱输出转矩的次序，降低幅度越来越小，这是抽油机系统的转动惯量影响的结果。

图1 转差率曲线对比

但是很难总结悬点载荷降低的变化规律，这是因为悬点载荷既受速度影响，又受加速度影响，而二者作用效果恰好相反。当平均负载率较小时，更换小功率电机后电流峰值有较大幅度的降低，当负载率越大，两者电流峰值越接近。

2.2 高转差率电动机试验对比分析（如表5～6）

更换小功率的高转差率电动机后，有功节电率一般为负值，这是因为高转差率电动机靠增加电阻值来提高转差率，因此会耗费更多的电功率，但其功率因数会得到显著的提高。高转差率电动机（特别是超高转差率电动机）降载的能力较好，电机端测得的转矩峰值降低显著，但是由于对悬点载荷峰值变化影响因素较多，难量化高转差率对悬点降载增益，试验样本少则很难统计出影响规律。

当用高转差率电动机做拖动系统后，常规的平衡调整方式会有较大误差，此时电机端输入电流变化幅度远远小于减速箱端的转矩变化，因此常规调参方法需要修正，建议用转差率来修正平衡调整。

表5 负载率与节电率

表6 无功功率对比

2.3 双功率电动机试验对比分析（如表7～9）

双功率电动机类似于单功率Y系列电机，但是由于其结构的复杂性，其节电效果要比普通Y系列电机要差。在37kW电机负载率大于20%时，替换的双功率电机已经不再节能。双功率电动机的功率因数相对较高，其无功功率较小，有益于综合节电率。双功率电动机的启动性能好，并能双功率工作，适用特殊场合，例如深井、稠油、易结蜡等。