抽油机用高效电动机节能技术及应用

吕亳龙　解红军　刘向阳　吕晓俐　雷　钧

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.中国石油长庆油田分公司）



抽油机用高效电动机节能技术及应用

吕亳龙1解红军1刘向阳2吕晓俐2雷钧2

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.中国石油长庆油田分公司）

电动机是油田生产过程中最主要的耗电设备，其运行效率直接影响到机采系统能效水平，笔者对抽油机电动机运行现状及能耗现状进行了研究。通过分析抽油机负载变化特点，提出了抽油机电动机选配所需考虑的因素；跟踪国内外主要抽油机电动机节能技术现状，分析了其优缺点及适用范围；并在350口抽油机井上应用永磁同步电动机、双速双功率节能电动机技术。项目实施后，有功节电率分别为23.85%、20.48%，区块年节电量达187×104kWh，节电效果显著。

抽油机电动机负载节能技术应用效果

电动机广泛应用于石油石化、冶金、矿山等众多领域，是机泵、风机、压缩机等重要耗能设备的终端驱动装置。据统计，2013年中国电动机保有量约21×108kW，年总耗电量约3.4×1012kWh，占全社会总用电量的64%；其中，工业领域电动机总耗电量为2.9×1012kWh，约占工业用电的75%，而超过90%在用低压电动机属于低效产品（能效等级不满足GB 18613—2012规定的3级能效水平［1］，比IE2能效低3.0%，比IE3低4.5%）。

目前，中国石油在用抽油机16.6万台，总装机容量403×104kW，年耗电量92×108kWh，约占勘探板块总耗电量的47%，机采系统效率仅为24.6%，而国外油田机采系统平均效率达30.05%；目前仍有部分纳入《高耗能落后机电设备（产品）淘汰目录》（第1批至第3批）的低效抽油机电动机在用。低效电动机的使用，既不符合国家节约能源及循环经济相关产业政策的要求，又造成巨大的能源浪费；因此，提高抽油机电动机运行能效水平是油田节约能源的必然趋势。

1　抽油机电动机负载特点

游梁式抽油机采油系统由地面部分、井下部分和抽油杆柱3部分组成，是我国使用最多的采油方式，占所有抽油机的90%左右。系统运行动力来自于抽油机电动机，电动机轴上的总负荷转矩为井下负荷转矩和平衡机构转矩之和，总负荷转矩与井况和单井平衡状态有关。抽油机负荷曲线如图1所示［2］。

图1　常规游梁式抽油机转矩曲线

由图1可见，抽油机系统工作周期内，负载不恒定且成波状变化，有以下特点：

◇由载荷转矩曲线可知，因井下供液情况变化，随着抽油杆上下冲程运行，载荷呈不规则周期性波动，需施加平衡转矩保证抽油机及电动机平稳安全运行；

◇平衡转矩为抽油机平衡机构转矩，是规则的正弦曲线；

◇因油井载荷转矩不规则周期性变化，其与平衡转矩形成的净转矩曲线常出现负功率；

◇负载转矩平均值约为最大转矩的1/3～1/2。

抽油机的不规则周期性波动负载，决定了需要选配较大启动转矩的驱动电动机；但抽油机正常运行中，由于平衡装置的作用，驱动电动机大都处于轻载运行状态，负载率较低，不可避免地形成负荷不足现象［3］。综合考虑抽油机井修井、砂卡结蜡等因素导致负荷突变，以及抽油机野外工作等因素，抽油机电动机选配应具备以下特点：

◇适应较大幅度变化的脉动载荷；

◇具备较大的启动转矩和堵转转矩，启动电流小；

◇调速范围宽、低负载率运行时具有较高的功率因数和运行效率；

◇特殊抽油机井适应频繁启停及正反转运行；

◇露天条件运行，维护简单，运行可靠。

2　典型抽油机电动机节能技术

高效节能电动机是采用新型电动机设计、新工艺及新材料，通过降低电磁能、热能和机械能的损耗，提高输出效率，达到特定高效率标准要求的电动机。高效电动机总损耗比普通电动机低20%以上，效率平均高4%，节电率超过15%。

根据油田抽油机特殊的负载变化情况，对典型的抽油机电动机节能技术进行了研究分析（表1）。

不同的节能技术适用井况不同，应用时需根据现场抽油机井实际运行工况筛选合适的电动机节能技术，使抽油机与电动机较好匹配，提高机采系统效率。

3　技术应用案例

2014年，某油田区块1所辖250口井应用了双速双功率节能电动机技术，区块2所辖100口抽油机井应用了永磁同步电动机节能技术。

区块1的抽油机电动机平均装机功率为10.8 kW，平均单井输入功率为3.32 kW，功率利用率为30.75%，抽油机平均泵效达53.2%，平均单井日产液量为4.36 t，系统效率达19.84%。由于区块1抽油机电动机负载率相对较高，产液量大，突出矛盾在于抽油机电动机存在严重的负荷不足现象。为了保证抽油机启动性能，电动机选配装机容量较大，而正常运行时电动机输入有功功率低，无功损耗较大；因而，选择双速双功率节能电动机技术，运行时可根据负载自动匹配功率，降低电动机输入功率，使电动机处于高负载率运行，提高系统效率和运行功率因数。

表1　典型抽油机电动机节能技术分析

表2　电动机节能技术应用前后能效监测结果

区块2的抽油机电动机平均装机功率为10.2 kW，平均单井输入功率为2.18 kW，功率利用率为21.3%，抽油机平均泵效仅为23.7%，平均单井日产液量为1.14 t，系统效率达8.47%，电动机运行无功损耗大。该区块产液量低，井下液量充满度较差，负载率低，电动机长期处于低负载率运行导致无功损耗大，功率因数低，系统运行效率低；因而，选择稀土永磁同步电动机技术，可使电动机在轻载到满载之间均可保持高效率运行，降低电动机无功损耗。另外，稀土永磁同步电动机技术应用于长期处于低负载率运行的抽油机井时节能效果更佳。

通过实施电动机节能技术改造，应用前后的效果监测如表2所示。

由现场监测数据可知，区块1双速双功率电动机节能技术应用后，平均系统效率提高了2.74%；抽油机在常态运行时，电动机自动切换至低功率挡运行，即电动机运行功率为7 kW，功率利用率达37.71%，较改造前提高了7百分点，有效地提高了电动机运行效率。经计算，实施电动机提效改造后，区块平均有功节电率达20.48%，平均无功节电率达37.63%，综合节电率达23.73%。按年工作350 d计算，平均单井年节电量为5712 kWh，区块1电动机提效技术应用后年总节电量为143.37× 104kWh，折合标准煤460.22 t。

区块2永磁同步电动机节能技术应用后平均系统效率提高了3.52%，由于该区块井下液量充满度较低，供液能力较差，因此系统效率整体较低。经计算，实施电动机提效改造后，区块平均有功节电率达23.85%，平均无功节电率达67.04%，综合节电率达35.39%。稀土永磁同步电动机技术应用时，可通过自动检测控制器检测负载变化而实现电动机无极调速，使电动机处于高功率利用率下运行。另外，由于稀土永磁同步电动机运转时没有无功励磁电流，功率因数大幅提高，有效地降低了电动机运行中的无功损耗；因而，其运行效率较高，功率因数高，综合节电效果较好。按每年工作350 d计算，平均单井年节电量为4368 kWh，区块2电动机提效技术应用后年总节电量为43.68×104kWh，折合标准煤140.21 t。

4　结束语

高效电动机节能技术发展日新月异，在保证电动机转速要求的前提下，逐步达到输出转矩与负载精确匹配，有效降低电动机有功功率和无功损耗，大幅提高电动机运行效率和运行功率因数。例如，“2015年国际高效电动机研讨会”上，“绕组式永磁耦合调速节能电动机技术”的多项性能指标均超越了变频调速器，亦可在抽油机井上试点应用，检验其节能提效效果。

除高效电动机技术研发与推广外，要提升油田抽油机电动机运行能效水平，还需要从严格落实国家低效高耗淘汰产业政策、开展电动机系统用能诊断及系统匹配改造、普通电动机个性化高效再制造、相关政策激励与标准约束等措施入手，根据抽油机井负载变化特点，切实开展个性化的电动机提效工作，提高电动机系统能效水平，提高能源利用率，最终达到节约能源的目的。

［1］中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级：GB 18613—2012［S］.北京：中国标准出版社，2012.

［2］吉效科.油田设备节能技术［M］.北京：中国石化出版社，2011：76-79.

［3］郭慧彬.油田电动机系统节能运行决策支持系统研究［D］.吉林：吉林大学，2009.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.12.006

2015-08-28）

吕亳龙，工程师，2012年毕业于中国石油大学（华东）（油气储运专业），从事油气田与管道节能节水技术研究与管理支持工作，E-mail：lvbolong@petrochina.com.cn，地址：北京市志新西路3号中国石油规划总院，100083。