应用抽油机用永磁半直驱同步拖动装置效果分析

2019-06-03徐达大庆油田有限责任公司第五采油厂

石油石化节能 2019年5期

徐达（大庆油田有限责任公司第五采油厂）

游梁式抽油机工作时，由电动机提供动力，经皮带传动系统、减速箱与四连杆机构等，带动抽油管柱上下往复运动。皮带传动系统在工作中极易出现下列问题：因恶劣天气因素易出现皮带打滑、丢转和烧毁现象，降低了抽油机机械传动效率，同时也影响生产时率；因皮带传动会给减速箱输入轴施加一个单边拉力，造成减速箱轴承及支撑件受力不均问题，从而出现偏磨现象，降低了零部件使用寿命；也增加了工人的劳动强度和维护成本。同时，由于设计上需考虑抽油机高负载启动问题，致使出现电动机装机功率偏大而运行时出现低效运转的现象，造成能耗的浪费[1]。目前油田开发已进入中后期，产液量不同程度的下降，调小地面参数工作量较大。针对问题，某厂逐渐采用抽油机用永磁半直驱同步拖动装置，提高机械传动效率，避免因调节参数、更换皮带造成油井停产，影响产量和增加维护成本，实现节能降耗的目的[2]。

1 设备功能简介

抽油机用永磁半直驱同步拖动装置由永磁半直驱同步电动机、多功能调速控制箱、连接及支撑系统组成。电动机设计采用的是低速大转矩永磁同步电动机，不存在滑差，转速平稳，不因负载加大而丢转，因电动机启动力矩大，平衡块在任何位置都可以启动、停机。多功能调速控制箱是根据电动机的工作特点设计的一体化变频控制箱，旋钮控制转速调节，操控面板直接显示电压、电流、转速等参数。

永磁半直驱同步电动机直接安装在减速箱输入轴上，取消了皮带传动系统，图1和图2分别为安装示意图和变频器操作界面。装置工作时，通过控制箱控制电动机启停，在控制箱变频控制作用下，可以实现电动机软启动[3]。

图1 电动机安装位置图

永磁半直驱同步拖动装置具备如下特点:

1）可以通过调整电动机频率来调节抽油机冲速，最低冲速可以达到0.1次/min，根本上解决间抽油井和贫油油井参数下调困难的问题。

2）采用高效稀土永磁半直驱同步电动机，运行效率较高，低负载率时的效率明显高于异步电动机。

3）电动机直接安装在减速箱上，节省了减速装置产生的传动损耗，无需更换、调节皮带，解决了皮带运行过程中出现的一系列问题。

图2 变频控制箱操作界面

4）控制系统具备过载、过压、漏电等保护功能，可显示电压、电流等参数，采用按钮、旋钮控制启停、调节转速，操作简便。

根据抽油机用永磁半直驱同步拖动装置技术特点，应用此项技术抽油机井需符合以下条件。一是抽油机为大庆装备制造生产，抽油机型号CYJY10-3-37HB、CYJ6-2.5-26HB、CYJY6-2.5-26HB、CYJ10-3-37HB，电动机才能与减速轴匹配；二是减速轴对中情况良好，无摆动和窜轴现场；三是抽油机电流平衡度80%以上，产液波动较大井不宜应用。

2 应用效果分析

2.1 现场试验

2016年6月选取某厂A井进行永磁半直驱同步拖动装置安装测试实验，A井是位于杏树岗油田东部纯油区的1口基础井，抽油机机型为十型机，2006年安装电动机，型号为YCHD280L-8/6高转差电动机，额定功率为33/50 kW，功率因数0.217。在抽油机电动机功率匹配过程中，由于启动扭矩为正常运行扭矩的3～4倍，现场更倾向于使用大功率电动机，导致使用电动机额定功率偏大，功率因数偏低，此类现象较为普遍。为提高设备节能效率，降低单井能耗，针对电动机装机功率偏大、功率因数偏低的问题，通过考虑设备启动性能和投资回收期，制定出以下两套方案：

方案一：选用高启动力矩电动机配合变频控制箱的软启动功能，实现设备平稳启动。计算电动机功率为22.4 kW。按照生产实际，可选用额定功率小一级的27 kW电动机，平均费用2.8万元，单井节电率6%。在控制箱方面：结合变频控制箱的软启动和调速功能，能够减小启动电流冲击，提高功率因数，控制箱平均费用3.2万元，平均节电率8%。费用合计6万元，节电率14%。节电费用按照0.637 1元/kWh计算，估算投资回收期6.09年。

方案二：选用永磁半直驱装置，运用永磁电动机配合变频控制箱软启动功能，实现平稳启动和高效运转。选用27 kW半直驱设备，费用8万元，节电率25%。半直驱装置具有调参功能，且取消皮带传动，节省皮带费用。按照年使用皮带数量4条，单价660元/条计算，估算投资回收期4.36年。

根据投资效益估算结果，选用方案二中永磁半直驱装置进行现场试验。在不改变地面参数的情况下，进行永磁半直驱驱动装置和原设备应用效果数据，系统效率由原有的27.62%提升至36.54%，提高9个百分点；百米吨液单耗由0.99 kWh/100 m·t降低至0.75 kWh/100 m·t，综合节电率达到27.6%。分析认为节电原因主要是由于降低了一级装机功率、消除了皮带传动损耗、减少了电动机铁损和铜损。A井安装永磁半直驱装置前后效果见表1。

2.2 推广应用

持续跟踪A井的现场试验效果，设备应用一年中无启动困难现象，且节电效果明显。在前期试验的基础上，2017年，根据抽油机用永磁半直驱同步拖动装置取消皮带传动、软启动的工作特点，在X区块重点针对载荷大，易断皮带井进行推广。

2017年在该厂选取不同产液级别井，进行永磁半直驱同步拖动装置推广，累积推广81套；并开展低产井和高产井应用效果对比，为保障设备应用效果具有可比性，测试条件为地面参数一致，举升高度基本接近，正常运转超过一周以上。一是高产井应用效果分析：随机选取15口平均日产液量37.58 t/d、冲程2.98 m、冲速6次/min井进行节电效果测试，据测试显示，对比原电动机和现电动机正常运转效率，应用抽油机用永磁半直驱同步拖动装置有功节电率20.94%，无功节电率78.68%，综合节电率24.08%[4-5]。统计效果见表2。二是低产井应用效果分析：随机选取3口平均日产液量1.84 t/d、冲程1 m、冲速2.13次/min，进行低产井节电效果测试，应用抽油机用永磁半直驱同步拖动装置有功节电率5.53%，无功节电率53.51%，综合节电率11.47%（表3）。分析设备节电效果原因：除去皮带传动2%～5%的电量损耗，通过提高电动机效率从而获得节电率为19%～22%，说明半直驱装置低负载率时的效率优于异步电动机效率。

表1 A井安装永磁半直驱装置前后效果对比

按照上述测试数据，推广应用81套设备年可节电165.22×104kWh。设备平均单价8万元，综合节省皮带费用和节电费用，以及后期维护费用，投资回收期为5.11年。截止目前，抽油机用永磁半直驱同步拖动装置使用时间超过一年，设备无损坏情况发生，节电效果明显，且取消皮带传动，节省了皮带费用，减少了皮带更换工作量，具有明显的节能效果。

3 结论

文中在对永磁半直驱驱动装置的组成、特点和功能分析的基础上，对现场应用试验及生产效果进行分析并得出以下结论：永磁半直驱驱动装置解决了载荷大、冲速高导致皮带磨损严重、断裂频繁的问题；永磁半直驱装置相对于目前应用的异步电动机具有启动力矩大，运转效率高的优势；永磁半直驱驱动装置取消皮带传动系统，利用超薄机身，直接驱动减速箱输入轴，系统效率提高5个百分点以上，平均节电率在24%。