游梁式抽油机基于开关磁阻调速系统节能改造

2014-08-13张庆洋周海亮北京中纺锐力机电有限公司

石油石化节能 2014年3期

张庆洋周海亮（北京中纺锐力机电有限公司）

游梁式抽油机，简称游梁机，主要由驴头—游梁—连杆—曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装备等四大部分组成。因其结构简单、可靠性高、耐久性好、易于维护等优点，一直在我国采油设备中占有重要地位，约占总数的75%以上，且在今后相当长的一段时间内仍是油田首选的采油设备。我国自引进游梁机以来，经过几十年的发展，已经派生出了很多种机型，如常规型游梁机、前置型游梁机、偏置型游梁机、斜井式游梁机、低矮式游梁机及活动式游梁机等，但最基本的四连杆结构并没有发生变化，因此，游梁机的负载不均衡、平衡效果差、工作效率低等一系列问题也一直没有较好的解决。

1 游梁机能耗现状分析

游梁机采油作业过程中，电动机带动三角皮带转动，三角皮带带动游梁机减速箱转动，减速箱的输出动力经过四连杆结构，转变成驴头的上下曲线往复运动，然后通过驴头转换成抽油杆的直线上下往复运动，抽油杆的每一次上下往复运动为一个冲程，每个冲程即为一个工作周期。

每个工作周期内，在抽油杆上升采油的过程中，为了保证油井有足够的采油压力和克服抽油杆的自重，游梁机需要对抽油杆提供很大的动力，因此电动机需要在很高的负载条件下运行；而在抽油杆的下降过程中，油井内的负压以及抽油杆的自重可以带着抽油杆自行向下降落，电动机的输出功率非常小，甚至电动机运行在发电状态。

由此可知，游梁机的电动机长期在一种负载极不均衡的状态下周期运行，而为了满足抽油杆上升过程中对转矩的要求，游梁机选用的电动机相对而言，都会选择功率等级比游梁机功率大的型号，但在抽油杆下降过程中，这时大功率的电动机不需要在较高的负载点运行，所以就形成了“大马拉小车”的局面；常用的三相异步电动机在轻载甚至空载状态下，运行效率很低，因而造成了大量的能源浪费[1]。

2 开关磁阻调速系统工作原理

开关磁阻调速系统（S witchedR eluctance D rive，简称S R D）是目前最新的无极调速系统，由开关磁阻电动机（S witchedR eluctanceM otor，简称S R M ）、控制电路、功率电路及位置传感器四部分组成，兼具直流、交流两类调速系统的优点。

S R D 采用的是“磁阻最小原理”。磁阻最小原理是指磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁芯在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线于磁场的轴线相重合。当铁芯的主轴线与磁场的轴线不重合时，铁芯与磁场之间会产生一个磁拉力，使铁芯沿着轴线重合的方向移动。

以12/8极S R M 为例，如图1所示，12/8极S R M定子有12个极，转子有8个极，定转子均为硅钢片叠压而成，其中定子上有绕组，转子无绕组。定子绕组每间隔两个极为同一相，绕组之间串行连接，共有A 、B、C 三相。以A 相绕组为例（B、C 两相结构与A 相相同，与A 相并联在直流电源上），当A相绕组轴线O A 与转子磁极轴线O a均不重合时，闭合开关S1、S2，对A 相绕组通电，A 相绕组会产生一个沿O A 方向的径向磁场，该磁场通过定子轭、定子极、气隙、转子极、转子轭等路径闭合，转子受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力，推动转子转动到O A 与O a轴线重合为止，此时断开开关S1、S2。

图1 12/8极SRM原理示意图（A相）

顺序对各相按上述步骤通电（如A -B-C-A 或A -C-B-A），电动机就可以连续转动，改变通电的各相顺序以及通电时间，就可以改变电动机运行的转向、转矩和转速。由此可知，电动机的转向与各相通电电流方向无关，与各相通电顺序有关[2]。当开关S1、S2 开通时，A 相绕组从直流电源吸收能量，当开关S1、S2 断开时，A 相绕组中的电流则经过续流二极管D1、 D2 回馈到直流电源，因此，S R D 的系统效率高，且高效区宽。

磁阻最小原理使S R D 与传统交直流电动机及其调速系统相比，有如下几个特有的优点。

◇S R D 的启动转矩大，可达额定转矩的150%；启动电流小，只有额定电流的30%。

◇能够频繁换向，可达1000次/h。

◇调速范围宽，高效区宽。

◇空载电流小，只有额定电流的1%左右。

◇转子无绕组，结构简单、可靠性高，不仅减少了绕组热损耗，同时也节约了制造成本，简化了制造工艺。

3 SRD应用于游梁机节能分析

目前国内的游梁机绝大部分都是采用三相异步电动机直接接入工频电压的方式运行。

三相异步电动机在空载运行时，转子转速与同步转速非常接近，转差率约为0，转子回路等效电阻近似无穷大，转子绕组中电流近似为0，此时转子绕组功率因素没有意义；定子绕组的电流有功分量所占的比重很小，绝大部分都是用来产生旋转磁场的无功电流分量，因此电动机空载时的功率因数非常低，只有0.2左右。

当电动机轻载运行时，电动机转速高于额定转速，转差率减小，转子绕组电势降低，而转子绕组电阻分量增加，电抗分量减小，所以转子绕组阻抗角小于额定负载，因此轻载时转子的功率因素比额定负载时要高；但轻载时，定子绕组阻抗的电抗分量增加很大，定子绕组功率因素很低，综合定转子的功率因数，三相异步电动机轻载时的功率因数仍然比较低。

当电动机额定负载运行时，转差率只有5%左右，转子回路电阻增大，因此，转子绕组阻抗角减小，转子功率因素能达到0.8~0.9；而定子绕组中，定子绕组是转子电流和励磁电流之和，因转子电流相电流远远大于励磁电流，故定子绕组功率因素也较高，约在0.8~0.85，因此额定负载下，电动机整体的功率因素相对较高[3]。

由上可知，三相异步电动机功率因素在空载到额定负载范围内，是随负载的增大而增大的，只有电动机工作在额定负载点或负载相差不大的工作条件下，才能取得较高的功率因素，而游梁机的负载特性非常的不均衡，一个周期内大部分时间都是在轻载甚至空载的情况下运行，因此可以推断系统的功率因素平均会在一个很低的范围内。电动机绕组中无功电流增加，使电动机绕组发热量增加，增大电能损耗，降低了系统的工作效率，且绕组发热也会影响电动机的使用寿命。

三相异步电动机直接接入工频电压运行后，电动机的转速就只和电压的频率有关，无法改变，因此只能通过远程开关对电动机进行最基本的启停控制，无法通过远程控制器实现自适应调整，例如若需要更改游梁机的冲程，只能通过更换电动机皮带轮的大小来调节，工作难度和强度都很大，停机时间长，非常不适用于油田现场的现代化远程控制。

S R D 是最新的无极调速系统，可以根据负载情况及转速的不同分别采用角度位置控制（A PC 控制）、电流斩波控制（CCC 控制）及电压斩波控制（PW M 控制）等不同的控制策略，通过改变电流的幅值、开通角、关断角，改变电压的幅值及相位等降低电动机定子绕组的无功分量，提高电动机运行的功率因素和工作效率，另外S R M 的转子无绕组，消除了转子绕组引起的发热，减小了的电动机的无功消耗，同时降低了电动机的运行温度。

图2为22kW 、额定转速750r的S R D 的效率特性M A P 图。由图2可以看出，在45%以上的负载、500r以上的转速范围内，S R D 的输出效率始终可达85%以上。

图2 SRD效率特性MAP图

S R D 控制器有着丰富的外围信号接入端，结合远程监控模块可以方便的实现数字化。通过工图采集和分析可以实时调整S R D 的运行转速，使得油井始终工作在高效区，实现抽油机整体运行的节能。通过远程监控模块可以非常简便的实现远程启停、远程换向、远程调速等基本功能；还可以实时远程传输电动机及控制器的各种运行参数及警告故障信息，方便实现远程监控。因此S R D 用于游梁机可以非常简单的实现抽油设备的远程控制。

为验证S R D 相比于与三相异步电动机的节能效果，在东营胜利油田某油井上进行了现场对比试验。油井原采用的是额定功率22kW 三相异步电动机，额定电压660V，额定转速600r/min，采用工频电源直接接入电动机的运行方式；对比试验采用的S R M 为额定功率22kW ，额定电压660V，额定转速750r/min。对比数据见表1。

由表1试验对比数据可以看出，S R M 相比于三相异步电动机在各电气测试项目中均有优势：有功功率每小时节电1.02kW ，节电率为15.27%；无功功率每小时节电高达20.32 kvar，节电率高达81.78%，无功经济当量按0.03kW /kvar计算，可得综合节电率达21.96%；功率因素也由较低的0.259提高到了0.780，达到了预期的试验目标。因此将S R M 代替传统的三相异步电动机应用于游梁机，不仅节省了大量的电能，同时大幅度的减少了电动机运行的无功电流，增加了电网输出的有功功率，提高了油田电网的利用率，减少了线路能量损耗，电网设备的容量在额定范围内得到更加充分的利用，节约了巨大的电网建设和运行维护的成本。