BS永磁无刷直流动力系统在游梁式抽油机上的应用

朱益飞 肖志勇

（1.中国石化胜利油田分公司孤东采油厂；2.中国石化胜利油田分公司技术检测中心）

引言

游梁式抽油机作为油田生产的重点能耗设备，普遍存在着高能耗、低产出、冲程和冲速调节不方便等明显的缺点［1］。油气生产开发企业既是能源生产企业，也是耗能大户。以胜利油田为例，目前全油田游梁式抽油机的保有量在2 万台以上，电动机装机总容量在60×104kW 以上，油田机采系统年耗电量20×108kWh，约占油田年消耗总电量的30%，平均吨油能耗量达110 kg 标准煤。游梁式抽油机约占油田机械采油系统90%，而游梁式抽油机装配的电动机以Y 型三相异步电动机为主［2］。由于游梁式抽油机是上下运动，负载变化差异很大，采用曲柄加重的旋转平衡，电动机负载仍然呈现周期性变化；加之重载启动，为确保可靠启动和正常运行，所配电动机额定功率都比运行平均功率大，因而除运行负载峰值较大外，大部分时段处于轻载以至空载运行，造成抽油机油井效率低、能源浪费严重以及影响设备使用寿命等问题。为实现油井节能降耗，提高能源利用效率的基础上，提出了BS 永磁无刷直流动力系统在游梁式抽油机上的应用课题，并取得了良好的效果。

1 BS 永磁无刷直流动力系统

BS 永磁无刷直流动力系统主要由无刷直流电动机和专用控制器两部分组成。具有高效率特性，无须从电网吸取励磁电流，其理论功率因数为1，实际上功率因数接近1。它与三相异步电动机相比平均有功节电率可达20%～40%，无功节电率高达80%以上。

游梁式抽油机属于位能性负载，尤其当配重不平衡时，电动机由于位能或惯性，在整个冲速的某个阶段，负载拖动电动机的转速比控制器输出占空比所对应的转速高，电动机处于再生发电状态，通过采取能量回馈方式，把抽油机所产生的再生能量加以重新利用；同时高性能回馈式制动单元内部已经安装有电抗器和噪声滤波器，并达到国家标准可直接和电网驳接使用，取得最佳节能效果，经检测节能率可提高10%以上。系统具有以下特点：

1）电动机效率高。永磁无刷直流电动机转子上既无铜损又无铁损，所以运行效率比同容量异步电动机高5%～12%。

2）功率因数高。永磁无刷直流电动机无须从电网吸取励磁电流，功率因数接近1。

3）启动转矩大，启动电流小。BS 永磁无刷直流电动机的机械特性和调节特性与直流电动机枢控时相应特性类似，所以它的启动转矩大，启动电流小，调速范围宽，电子换向取代了机械换向，克服了电刷换向器换向方面的缺点。

4）电动机出力高。该电动机的体积和最高工作转速相同时，较异步电动机输出功率提高30%。

5）适应性强。调速精度高，调速范围广，过载能力强，电源电压偏离额定值15%，环境温度相差40 K；以及负载转矩从0～100%额定转矩波动时，无刷直流电动机的实际转速与设定转速的稳态偏差，不大于设定转速的1%。该电动机还适合长期低速运转、频繁启动的场合，这是变频调速器拖动Y 系列电动机不可能实现的。同时，电动机可实现远程监控，满足电动机运行状态远程监控的工作要求，符合智能化油田建设需要。

6）稳定性好。BS 永磁无刷直流电动机是一种自控式调速系统，它无须像普通同步电动机那样需要启动绕组，在负载突变时，不会产生振荡和失步，而且制动特性良好。

7）具有直流电动机特性。该电动机具有直流电动机特性、交流电动机的结构，它保留了传统直流电动机的所有优点，同时克服了电刷、滑环结构复杂和故障率高的缺点。

8）低频转矩大。低速可以达到理论转矩输出，激活转矩可以达到两倍或更高。允许高频度快速激活，电动机不发烫。

9）高精度运转。不超过1 转（不受电压变动或负载变动影响），没有无线电干扰，没有电刷摩擦产生的火花，适合恶劣工作环境，适合高频度快速启动场合。

10）具有柔性启动和设备保护功能。异步电动机在工频状态下启动时，带负载启动电流相当于7～9 倍的额定电流，因此，通常在电动机带负载启动时，会对设备和供电电网造成很大冲击，对设备运行极为不利，严重时还会发生抽油机断脱现象。在利用BS 永磁无刷直流动力系统改造后实现设备柔性启动，将会使启动电流大大降低；且可根据实际负载所需功率输出相应的电流，既节能又减少了对电网的冲击，避免了对电动机、变速箱、抽油机等过大的机械冲击，大大地延长了相关设备的使用寿命；同时，具有过流、过载、过压和电网保护功能。

2 与Y 系列异步电动机的比较

8 极45 kW 永磁无刷直流电动机与Y 系列异步电动机在不同运行功率下功率因数与运行效率的比较，见表1。

表1 无刷直流电动机和Y 系列电动机的功率因数与运行效率的比较

由表1 可知，电动机功率相同时，无刷直流电动机效率和功率因数高于Y 系列电动机。

3 现场应用

该系统于2010年4月在某油田29-27 井上进行现场应用试验，并对现场应用效果进行应用前后跟踪测试。其应用前后油井测试数据对比见表2。

表2 应用前后油井测试数据对比

由表2 可知，该井在安装BS 无刷直流动力系统后，油井电动机有功功率由9.4 kW 下降到6.7 kW，减少了2.7 kW，日节电65 kWh，年节电23 725 kWh；无功功率由23.3 kvar 降低到0.27 kvar，下降了23.03 kvar；油井电动机功率因数由0.361 提高到0.998，提高了0.637；有功节电率达到28.72%，无功节电率达到98.8%，取得了良好的现场试验应用效果。按照节约1 kWh 电量减排0.997 kg 二氧化碳，即减少0.272 kg 碳，则更换1 台BS 无刷直流动力系统每年可减少碳排放6 453.2 kg。

4 综合效果评价

1）该系统与普通电动机系统相比，具有良好的节能降耗效果，平均有功节电率达到28.72%，无功节电率达到98.8%。

2）系统调速操作方便快捷，有利于油井根据生产需要，及时调整油井冲速，使油井参数调整变得更加简单，极大地减轻了员工的工作强度，提高了油井调参操作的安全程度。

3）产品性能安全可靠，自投入现场应用以来，该系统运行正常，极少发生运行机制故障，现场维护简单，减轻了员工的维护工作强度。

4）该系统的电动机内装有监测传感装置，通过自动连续监测电动机的电流变化，能够判断抽油机运行机制所需要的实时功率，并将信号传给控制柜的控制装置，再由控制装置调整电动机的运行功率，大幅度减少电动机的无功功率，使功率因数接近于1，提高了电动机的运行机制效率。同时，控制装置具有智能型特点，电动机可实现远程监控，符合智能化油田建设需要。

5）该系统与安装油井变频控制系统相比，具有性价比优势。可以替代目前在用的油井变频控制柜+Y 系列电动机、减速装置+Y 系列电动机、油井电磁调速装置等调速系统，是一种新型抽油机节能调速系统。

BS 无刷直流动力系统是专门针对目前油田抽油机的运行情况而设计的新型节能产品，它可以使抽油机运行更加合理、调速操作更加方便，能耗更低，节能效果好，智能化程度高，是替代Y 系列异步电动机的理想产品，具有良好的推广应用价值。

[1]程明,刘佳畅.浅谈变频技术在油田抽机上的应用[J].变频技术应用,2011,6(1):94-114.

[2]朱益飞.油井专用能量回馈式变频器在油田的应用[J].变频器世界,2009,10(11):Z5-Z8.