抽油机电动机最佳运行效率与负载率的试验研究

2020-06-24陈禹霖大庆油田有限责任公司第九采油厂

石油石化节能 2020年6期

陈禹霖（大庆油田有限责任公司第九采油厂）

作者简介：陈禹霖，2013年毕业于东北石油大学（石油工程专业），从事机采管理工作，15246063399，170296290@qq.com，黑龙江省大庆市大庆油田第九采油厂工程技术大队，163453。

电动机是油田的生产生活的各个领域中的主要动力来源[1]，特别是在机械采油中，电动机是主要的用电设备，占总耗电近80%[2]，节能潜力巨大。通过提出问题，理论分析和应用试验来探究电动机运行效率和负载率的关系。

1 提出问题

某采油厂抽油机井负载率低，系统效率低于大庆油田平均标准。统计分析系统效率较低的289口井，在举升高度相当的情况下，随着产液量的上升，系统效率明显提高；在产液量相当的情况下，举升高度越高，系统效率越低。通过分析表明，抽油机井单井产液低、泵挂深度过深，是造成抽油机系统效率低的主要原因。系统效率和日产液的关系曲线见图1，各作业区系统效率统计见表1。

图1 系统效率和日产液的关系曲线

表1 各作业区系统效率统计

通过对抽油机井进行节点分析[3]，发现抽油泵效率和电动机效率是影响系统效率的主要因素，分别占比10.1%和2.7%。因此提高电动机效率，可以有效提高系统效率。各节点效率及对系统效率的影响见表2。

表2 各节点效率及对系统效率的影响

理论研究认为，电动机负载率的高低直接影响着电动机效率与能耗[4]。为进一步提高抽油机电动机的系统效率，需要进行电动机负载率与电动机效率之间关系研究，把理论推导和现场试验的相结合，从而得出电动机最佳运行时负载率变化范围，再结合单井情况，采取相应措施调整电动机负载率，达到提高电动机效率，降低单井能耗的目的。

2 电动机负载率与电动机效率的关系

2.1 理论分析

电动机负载率和效率的关系可通过以下公式得出，根据负载率定义：

根据电动机效率的定义：

式中：β为电动机负载率；P2为输出功率，kW；Pe为额定功率，kW；η为电动机效率，%；P1为输入功率，kW；ΔP为电动机的总损耗，kW。

由公式（2）计算电动机效率时，由于有些参量比较复杂，受电动机运行条件和外部其它原因的影响，如电动机损耗包括：电动机的铜损耗、铁损耗、机械损耗及杂损等[5]。为方便计算，做了三方面假设：电动机的输入电压不随负荷变化而变化，为额定值；电动机的铁损不随负荷变化而变化，为恒定值；电动机的铜损与负载的平方成正比[6]。实际运行工况下，电动机总损耗计算如下：

式中：ηe为额定效率，%；k为常数。

因此，电动机效率可以转化为：

式中：βm为负载率的最大值。电动机不同，k值不相同。

根据电动机负载率和效率的关系曲线[7]可知，当负载率增大时，输出功率也增加，效率迅速增大，到达一定高度后又开始下降。这是因为在电动机的总损耗中有一项损耗即铁损，它不随负荷变化而变化，使得负载轻时效率较低。而铜损耗与负载率的平方成正比，当负荷增大时，铜损耗增大很快，又使效率下降[8]。

当电动机负载率β与βm相等时，电动机运行效率最高，损耗最小[9]。由公式（5）可知，βm的大小取决于k值，不同系列电动机的k值有所不同，所以电动机最佳运行时βm值也各不相同。

2.2 现场试验

全厂目前在用节能电动机3 020台，主要以高转差、永磁、伺服电动机为主，其中高转差电动机占比60.7%。重点测算YCHD与ZYCYT系列电动机负载率与电动机效率。因此，测定分别在YCHD225-8-15 kW的电动机和ZYCYT200L-15 k W电动机。采用系统效率测试的方法，在不同负载情况下，测试电动机的输入功率和电流，再运用电流法计算不同负荷情况下的负载率和效率。

根据测试计算结果绘制出不同电动机负载率和电动机效率的关系曲线，见图2。从曲线中可以看出，电动机负载率在一定范围内时，效率最高。电动机的型号、系列不同，负载率和电动机效率曲线不同，但变化规律相同。