油田抽油机电机节能方式探讨

李东波+李嘉炜+巩建卫+冯胜利

摘 要：电动机是油田机采系统最主要也是最终端的用电设备，是提高整个电力系统的效率的最大潜力点。当前油田电能消耗浪费严重的一个重要原因是电动机配置不合理，普遍存在着“大马拉小车”现象。本文通过分析电动机的节能运行方式，探讨游梁式抽油机电动机的节能方法和新型节能电机的选用，为抽油机电机的节能找到途径。

关键词：抽油机电机；节能运行；节能电机

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.051

0 引言

游梁式抽油机是目前油田主要的机采设备，由于抽油机具有自身的机械平衡装置和周期脉动的负载特性，所以要求电机具有高启动扭矩，才能保证抽油机在静止状态下启动起来，这樣就要求配置的电机启动转矩要大，当抽油机启动以后正常运行时负载下降，电机在轻载下工作，功率因数和效率急剧下降，造成“大马拉小车”现象，测试数据显示抽油机电机效率多在40%～60%、功率因数在0.2～0.5之间，造成损耗严重的不良现象。

1 通过电机的经济运行来达到节电的目的

三相异步电动机运行在额定负载时其效率最佳，但游梁式抽油机电机负载率很低，而且处于不断变化状态，电机的运行效率和功率因数一般都很低，对一般的三相异步电动机提高经济运行性能可采取的措施有降压运行节电法和星角变换节电法。

1.1 降压运行节电法

降压运行能提高功率因数，还能降低损耗，提高效率，在我厂的油井现场进行了试验，降低了励磁电流损耗，有一定的节电效果。

原理：一般情况下，异步电动机运行时，线路电压全部施加于定子绕组上，异步电动机的励磁电流总是基本不变的，而励磁电流几乎为纯电感性，功率因数接近0。从空载到满载，由于电压基本不变，所以励磁电流分量基本不变，铁损也基本不变，并一直为最大值，这个电流在电机绕组内部也造成定子铜损，消耗电能。所以，如果当电动机空载或轻载时，如能自动降低电压运行（维持转速基本不变），则铁损和铜耗会减少，电网的功率因数亦提高。异步电动机降压运行的控制原理，就是以定子电压和电流间的相位角为控制量，去触发串接在电动机上的双向可控硅或自藕变压器的档位，使施加于电动机的电压和电流的相角基本保持不变，自动调整电动机的输入电压。其缺点是，降低电压需要配置调压设备，增加投资和维护工作量，现场适应性较差。

1.2 异步电动机的星角变换

Δ形接线的异步电动机，空载或轻载时，由Δ形接线换接为Y形接线可以达到节电的目的。电动机的相电压只有原有的1/，这时的铁损只是原来铁损的（1/3） ，输出功率相应下降为原来的1/3，如果电动机Δ形接线时的负载率β为33%，则在电源电压及负荷未变的情况下，改为Y形接线时，负载率变为100%，功率因数和定子电流将明显得到改善。

Y形接线带负载后，有功功率的节约随负载的增加而减少，当负载增至某一临界值时，电动机Δ形接线方式和Y形接线方式的损耗相等，效率相同，此时应立即将定子绕组改为Δ形接法。一般情况下当负载率低于40%时，由Δ形接线改为Y形接线可以节电。

经过多井次现场试验，异步电动机的星角切换节电法具有设备投资小、现场实用性强、节能效果显著、易于维护等诸多优点，适合抽油机电机“大马拉小车”的运行工况，现场改造易于实现，在我厂抽油机电机节能领域得到应用。

2 选择节能型电机达到节能降耗的目的

抽油机电机在运行过程中，电机的输出功率随着载荷的变化而变化，如能在负载工况变化时电动机的输出功率与负载变化实现自动的合理匹配，将使电力拖动系统实现高效运行。

在节能电机的选型工作中，我厂曾投入运行的电动机主要有以下几种：

2.1 高转差电机

高转差电动机依靠降低转子转速来达到增加扭矩从而降低装机功率的目的。高转差电机与普通Y系列电机相比，具有以下特点：

（1）超高转差率电机启动转矩大，可以降低抽油机电机的容量，在一定程度上避免大马拉小车，取得良好的匹配，电机固定损耗（铁损、机械耗）及可变损耗均大大降低；

（2）生产运行过程中高转差电机比常规Y系列电机平均效率高；

（3）由于转差率高的缘故，在运行过程中易出现丢转现象。

2.2 永磁同步电机

永磁同步电机与感应电机相比，电机转子内镶入永磁铁，使转子自身具有高强度磁场，可以用来取代电动机转子的电励磁，即不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数，减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，其效率比同规格电动机提高2-8%。而且永磁同步电动机在25%-120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节电效果更为显著，而且启动转距较异步电动机大，额定功率可以比异步电动机降低一个等级。该型电动机的特点是：

（1）效率高、高效区范围宽。

（2）功率因数高，无功节电效果相当显著。

（3）起动力矩大、过载能力强，在匹配合理的条件下、节电效果显著。

（4）制造成本较常规Y系列电机要高出至少40%左右。

2.3 双绕组电机

双绕组电机在设计上是在单槽内下入双线，即形成了两套绕组。称之为启动绕组和工作绕组，该电机具有两种功率即启动功率和运行功率。在控制系统中巧妙的应用了Y一△转换，使实际的运行功率可以依据负载的需求实现三级功率的变换。启动时将启动绕组接成△形，满足抽油机启动时对电机转矩的要求；电机在正常运行时，两套绕组串联接成△形，能满足负载率为50%时抽油机对电机转矩的要求；当负载率为30%以下时，启动绕组接成Y形。实现了运行负载与电机输出负载间的三级匹配。其特点是：

（1）借助于专用的控制系统，能在三个功率下依据负载需求自动切换运行。

（2）电机启动时，能满足抽油机启动时需高扭矩的要求。

（3）正常运行时，运行功率的值是根据抽油机运行时的负载大小来决定的。

统计我厂各类电动机的运行工况，永磁同步电机与双绕组电机能

够较好的实现“电机的输出扭矩（功率） 与抽油机变动负载间的合理匹配”，节能效果好，其中双绕组电动机的控制装置比较复杂，现场维护难度大，现场适应性较差，而永磁同步电机控制简单可靠，启动转距大，完全可以解决目前采油系统存在的大马拉小车、效率低、功率因数低等问题，在我厂抽油机节能工作中得到推广。

3 结语

油田机采系统中电动机是主要的耗能设备，在实际工作中应根据现场情况合理采用电动机的控制方式，并逐步用永磁同步电动机更换高耗能的异步电动机，不断提高整个机采系统的运行效率，在生产中不断探索节能降耗的新方法和新设备，为油田节能降耗工作不断开发更加先进的节能技术。

参考文献

[1]吕宗枢.电机学[M].北京：高等教育出版社，2007.

[2]伍培云，欧汉生，陆建隆.技术节电与管理节电[M].南京：南京师范大学出版社，2005.