电动机星角变换技术的抽油机应用研究

2021-06-24霍崇庆大庆油田技术监督中心

石油石化节能 2021年6期

霍崇庆（大庆油田技术监督中心）

抽油机是油田的耗能大户，其用电量约占油田总用电量的40%，占油田总用电量的比例非常高，且总体效率仅在30%左右，效率很低[1]。石油企业面临十分严峻的国际国内的复杂形势，经济效益不是非常的理想的情况下，要改变现状，就必须在降本增效、提高经济效益上下功夫[2-3]。在技术方面需要找到低成本的方案。而星角变换技术就是一种极低成本的节能技术。

通过对现场工况的统计调查和实验室对标准抽油机井星角两种不同接线方式进行试验，来研究该技术的适应条件及节能效果。其中试验电动机型号为Y280S-8，功率为37kW；标准抽油机井型号为CYJ10-3-37HB。

1 原理及技术特点

星角变换技术属于降压节能技术的一种，其节电原理是当电动机负载远小于额定负载时，通过手动改变接线方式或星角转换控制箱（手动或自动）将电动机运行模式由三角形接法改变为星形接法。由于加在电动机绕组上的相电压由380V降至220V，电动机铁损下降，达到节能的目的。降低电动机端电压的同时，可提高电动机负载率[4]，进而提高电动机的效率及功率因数[5]。

电动机带载能力的变化是应用中要考虑的一个重要问题，由于电动机的力矩与电压的平方成正比，力矩也会大幅度下降[6]，仅为原来的三分之一。假设使用37kW的电动机，星接后可以带动12.3kW的负载，又由于异步电动机有20%的短期超载能力，因此电动机最大可以拖动14.8kW的抽油机负载。

而在经济投资方面，如果采用手动改变接线方式则不需要增加任何设备投资。而使用控制箱因为技术简单也仅需少量投资。对于后期，也不需要过多维护而产生费用。

2 抽油机现场负载情况分析

根据油田的实际情况，油田在选配电动机时为了启动顺利，一般按最大扭矩选配电动机[7]，而且井况也会发生一定变化，因此不可避免的造成一部分井平均负载率过低。

某油田441口37kW的现场运行抽油机井负统计见表1，可见负载率低于15%的抽油机占34.92%。

表1 现场抽油机井负载统计

3 实验室研究

在实验室进行稳定负载率加载下的角接与星接对比试验，试验电动机采用普通异步电动机，型号为Y280S-8，功率为37kW。

3.1 效率对比

通过在不同负载率下进行对比测试，得出稳定负载条件下星接与角接的电动机效率，效率对比见图1。可见该电动机在负载率46.9%以下星接效率高于角接效率，负载率越低，效率差距越大。角接情况下负载率在30%以上效率较高，当负载率低于30%下降较快。而星接情况下，在10%负载以上效率很高。

图1 效率对比

3.2 功率因数对比

功率因数可以反应出无功功率的大小，它的高低影响线路及变压器的损耗。有功相同的情况下，功率因数越低，电流越小，线路及变压器损耗越低[8]。实验室稳定负载条件下星接与角接不同负载率下的功率因数对比见图2。星接条件下的电动机功率因数高于角接。在负载率29.7%稳定负载条件下，电流下降19.7A，无功功率下降16.4kvar。可见对于低负载情况，电动机改为星接，不仅可以在电动机本身节电，也可以降低电流，在线路及变压器端节电。

图2 功率因数对比

4 标准抽油机井研究

4.1 星接转换负载点研究

某采油厂对电动机负载率低于20%，而且生产运行平稳的油井进行电动机角星转换[9]，但该种方法是否科学需要进行验证。

抽油机是一种特殊的变动负载[10-11]，运行过程中负载会发生周期性变化。因此知道平均负载并不能了解最大负载，为了了解其中的关系，在标准抽油机井进行了负载试验。标准电动机（37kW）负载率15%、20%的功率曲线见图3、图4。

图3 负载率15%功率曲线

图4 负载率20%功率曲线

可见15%平均负载率情况下最大功率达到12kW，电动机调整为星接完全可拖动负载。即使负荷向上有20%的波动短期也可以正常运行。而20%平均负载情况最大功率达18kW，还应使用角接。综上结论并考虑油井的负载波动，选取负载率低于15%的抽油机井进行星接改造比较稳妥。

4.2 节电率研究

为了实际测试低负载情况下星接方式的节电情况，在标准井进行测试，角接平均负载率为15%，节能对比见表2。可见在抽油机的实际运行中，采用星角变换技术节能效果显著，综合节能率可以达到10%左右。按照实际耗电功率5.5kW，年运行300天计算，改造单台抽油机年可节电3960kWh，按照价格0.625元/kWh进行计算，折合人民币2475元。