關(guān)于游梁式抽油機用電動機節(jié)能的討論-

1、關(guān)于游梁式抽油機用電動機節(jié)能的討論白連平馬文忠楊艷劉猛(石油大學(xué)華東程啟華(勝利石油管理局東辛采油廠薄保中(西安石油學(xué)院摘要介紹了一般負荷下的電動機節(jié)能方法和游梁式抽油機負載特點,述評了油田使用或試驗的幾種電動機節(jié)能情況。游梁式抽油機用電動機節(jié)能應(yīng)包括兩個方面:一是提高電動機的負荷率和效率;二是使電動機的機械特性變軟,改善電動機機械特性與抽油機負載特性的相互配合,以提高機、桿、泵系統(tǒng)效率。兩者比較,后者的節(jié)能潛力要比前者大得多。因此,后者應(yīng)該是游梁式抽油機用電動機節(jié)能的主要研究方向。當前最理想的途徑是開發(fā)用于制造電動機轉(zhuǎn)子繞組的頻敏材料;其次是研制工作可靠的四象限變頻器,把電動機發(fā)電狀態(tài)所發(fā)的

2、電回饋電網(wǎng)。主題詞游梁式抽油機電動機節(jié)能效率電動機節(jié)能原理如果電動機運行在額定負荷或額定負荷附近,則電動機屬于經(jīng)濟運行。實際上,電動機以輕載運行,即一般稱為“大馬拉小車”的情況是常見的。因此,電動機節(jié)能是不容忽視的重要問題。電動機運行效率取決于電動機負荷率,國家標準G B124971995規(guī)定,Y系列(IP4437kW6極電動機的負荷率應(yīng)大于0140;22kW6極電動機的負荷率應(yīng)大于0146,此時電動機為經(jīng)濟運行。對于不同功率的Y系列電動機,效率下降點也不同。一般情況下,效率和功率因數(shù)隨負荷率變化的曲線如圖1所示。把效率將要快速下降點a所對應(yīng)的負荷率稱為臨界負荷率a。當負荷率>a時,效率

3、的變化不大,這是由于電動機的可變損耗和不變損耗的對比關(guān)系所決定的1。當負荷率<0170時,功率因數(shù)下降很快。功率因數(shù)的低下不但使電動機本身能耗有所增加,而且給電網(wǎng)造成了附加損耗,降低了電網(wǎng)容量和變壓器設(shè)備的利用率2。從以上討論可以看出,只要負荷率不低于a,“大馬拉小車”的影響主要是降低功率因數(shù)。對于一般負荷(如風(fēng)機、水泵,節(jié)能的關(guān)鍵是提高負荷率。如果將負荷率提高到01700180可以說是最佳運行,沒有必要提高到1。一般工作在=0170以上,功率因數(shù)就比較高 。圖1功率因數(shù)、效率和負荷率的關(guān)系曲線游梁式抽油機用電動機運行特點游梁式抽油機是機械采油的主要設(shè)備,約占機第27卷第3期石油機械19

4、99年白連平,副教授,生于1956年,1990年畢業(yè)于哈爾賓工業(yè)大學(xué),獲工學(xué)碩士學(xué)位,現(xiàn)主要從事電動機拖動與控制的教學(xué)和研究工作。地址:(257062山東省東營市。電話:(05468393550(宅。(收稿日期:1998-09-07;修改稿收到日期:1998-11-09采井總數(shù)的75%。它工作時承受帶沖擊性的周期交變負荷,如圖2a 所示3。這一負荷特性要求驅(qū)動電動機在選擇容量時留有足夠的裕度,以保證帶載啟動時能克服抽油機較大的慣性矩,滿足啟動要求;在運行時有足夠的過載能力,以克服交變載荷的最大扭矩。因此,電動機容量選擇就過大,負荷匹配不合理,大多數(shù)情況下電動機處于輕載狀態(tài),負荷率一般為0125

5、%。同時,電動機在一個沖次中還存在兩段發(fā)電狀態(tài),一個沖次內(nèi)電動機電流如圖2b 所示4,在一個沖次內(nèi)其電壓、電流相量圖如圖3所示。在一個沖次內(nèi),電流的大小及相位角總是變化的,相位有大于90°的情況,這段時間有功電流為負,為發(fā)電狀態(tài),這已從理論上和現(xiàn)場實測得到證明4。在現(xiàn)場實測中,采用兩種方法:一是接入三相電度表,在一個沖次內(nèi)有兩次電表反轉(zhuǎn);二是用計算機采集電壓、電流的正弦波形,也清楚看出相位角大于90°的情況。發(fā)電情況與平衡有關(guān),平衡效果越差,發(fā)電越多。平衡效果較好時,只有一次發(fā)電狀態(tài)。這種特殊負荷給電動機節(jié)能帶來很大難度。另外,抽油桿運動時的慣性作用和彈性變形,使抽油機在上

6、下死點產(chǎn)生沖擊,而普通Y 系列電動機的機械特性是硬特性。在運行過程中轉(zhuǎn)速隨負荷變化不大,抽油泵柱塞的實際行程由此變短,從而影響泵的充滿率,降低泵效,使整個游梁式抽油機的系統(tǒng)效率降低 。圖2一沖次內(nèi)功率和電流與時間的關(guān)系圖3電壓與電流向量由以上分析可知,游梁式抽油機節(jié)能應(yīng)包括兩個方面:一是從電動機本身考慮,就是提高電動機效率和負荷率,從而提高運行效率和功率因數(shù)。提高電動機效率的潛力不大,能提高幾個百分點就很不容易,而且是以提高電動機成本為代價的。因此,如果負荷率高于臨界負荷率,只要并上適當?shù)难a償電容器就達到節(jié)能的目的。二是從系統(tǒng)考慮,就是改變電動機的機械特性,使機、桿、泵整個系統(tǒng)達到較好的配合,

7、提高系統(tǒng)效率。兩者比較,后者的節(jié)能潛力比前者大得多。因此,后者應(yīng)該是游梁式抽油機用電動機節(jié)能的主要研究方向。油田電動機節(jié)能情況述評多年來,人們在抽油機用電動機節(jié)能方面做了大量的研究工作,為油田的節(jié)能做出了很大貢獻。從抽油機載荷特性上看,其變化規(guī)律比風(fēng)機、水泵類的載荷復(fù)雜得多,這給研究工作帶來許多困難。目前油田電動機節(jié)能主要分為三個方面:其一,人為地改變電動機的機械特性,以實現(xiàn)負荷特性的柔性配合,從而提高系統(tǒng)效率,實現(xiàn)節(jié)能。這種方法主要是改變電源頻率。其二,從設(shè)計上改變電動機的機械特性(如高轉(zhuǎn)差電動機和超高轉(zhuǎn)差電動機,從而改善電動機與抽油機的配合,提高系統(tǒng)運行效率,達到節(jié)能。其三,通過提高電動機

8、的負荷率、功率因數(shù),實現(xiàn)節(jié)能。下面對油田普遍使用和正在試驗的幾種電動機進行分析。1.變頻調(diào)速電動機5,6這種方案是在普通電動機電源上加變頻器,降低了電動機的容量,負荷率得到較大提高,變頻器的輸入功率因數(shù)接近1,并且改變了上、下沖程的速比,也改善了抽油系統(tǒng)的配合。這種方案無論從電動機本身還是從系統(tǒng)配合上都達到了節(jié)能目的。美中不足的是,發(fā)電時不能回饋,要通過電阻把發(fā)電能量放掉。另外,一次投入大,現(xiàn)場管理難度大,而且變頻器本身也有功率損耗(約3%,變頻器的諧波對電網(wǎng)有影響,并會使電動機附加損耗增大。順便提及一下節(jié)電控制箱。這種可以調(diào)整電動機電源的設(shè)備是通過電力電子器件來調(diào)節(jié)電源電壓的。調(diào)節(jié)方法有整數(shù)

9、波通斷調(diào)節(jié)和相位調(diào)節(jié)。電動機的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比,在上下行程和換向點24石油機械1999年調(diào)整電壓,來改變電動機轉(zhuǎn)速,改善系統(tǒng)配合,達到節(jié)能。這種方法調(diào)節(jié)電壓而電源頻率并沒有改變,功率因數(shù)也沒有改善,而且所選電動機功率下降的不多,負荷率改善不大。電網(wǎng)諧波比變頻器大得多,電動機頻繁減速,轉(zhuǎn)子損耗增大,發(fā)熱較嚴重,易燒壞電動機?，F(xiàn)在油田上使用的有各種各樣的節(jié)電箱,有的還獲國家專利。但是節(jié)電箱不會使電動機本身提高效率。如果沒有電壓和頻率調(diào)節(jié),也不會使系統(tǒng)節(jié)能。如果電控箱中加入補償電容,不是提高電動機本身的功率因數(shù),而是提高電動機電源端的功率因數(shù),從而達到電網(wǎng)節(jié)能。節(jié)電箱既無電壓或頻率調(diào)節(jié),又無補償

10、電容,節(jié)能就無從談起。2.超高轉(zhuǎn)差電動機7,880年代初我國開始研制超高轉(zhuǎn)差電動機。這種電動機的主要特點是機械特性軟,遇到換向沖擊載荷時,轉(zhuǎn)速下降,靠曲柄慣性作用,減速器和電動機的扭矩變化趨于平緩,峰值扭矩明顯降低,從而改善了機、桿、泵的配合,提高了泵的充滿系數(shù),增加產(chǎn)液量,達到系統(tǒng)節(jié)能的目的9,10。這種電動機的不足是滑差高,損耗較大,效率低。額定效率一般只有018,遇沖擊載荷時速度下降,效率更低,電動機發(fā)熱較嚴重。有的廠家把電動機外殼作成鋁的,以利散熱,并且在定子繞組上加溫控開關(guān),以控制電動機的溫升。這種電動機目前在油田推廣使用較多,總體節(jié)能效果是好的。3.電磁滑差電動機11電磁滑差電動機

11、是90年代初由勝利油田純梁采油廠研制的。這種電動機實質(zhì)上是在普通電動機軸與負載軸之間增加一個電磁離合器,其傳遞扭矩隨電磁離合器的勵磁電流的大小而變化,勵磁電流是根據(jù)電動機電流進行反饋控制的。在沖擊載荷時,離合器滑差增大,而電動機本身不會發(fā)熱,可空載啟動。這種電動機可使系統(tǒng)達到較好的配合,但系統(tǒng)節(jié)能除去勵磁系統(tǒng)的能耗,已所剩無幾,只是降低了抽油桿和抽油泵的故障率,延長了檢泵周期。另外電磁離合器和勵磁控制系統(tǒng)的成本也比較高。4.稀土永磁同步電動機12,1390年代初,大慶石油學(xué)院和西安石油學(xué)院對稀土永磁同步電動機進行了研制和現(xiàn)場試驗,收到了較好效果。這種電動機的轉(zhuǎn)子由磁鋼、稀土材料和啟動鼠籠組成。

12、轉(zhuǎn)子損耗比普通異步電動機小得多,因此電動機本身的效率比普通Y系列電動機高約5%,功率因數(shù)達到019,其額定運行時機械特性比Y系列電動機還硬,因此不能改善機、桿、泵系統(tǒng)配合,起不到系統(tǒng)節(jié)能的作用。相同功率的稀土永磁電動機比Y系列電動機成本大約高50%,且啟動電流比Y系列電動機還大,啟動過程中,電動機轉(zhuǎn)矩有振蕩。5.雙功率電動機14石油大學(xué)與勝利油田合作進行了雙功率電動機試驗。雙功率電動機與普通Y系列電動機的區(qū)別在于定子繞組不同,定子繞組是兩個可以并聯(lián)運行的繞組。機座與普通Y系列電動機相同。比如原來37kW的電動機,現(xiàn)在其定子繞組設(shè)計成一個為22kW,一個為15kW。電控箱中有一個電流檢測電路,并

13、且能夠?qū)崿F(xiàn)繞組的自動切換。啟動時可令兩個繞組分時投入(時差約015s,總的啟動電流減小。當負荷率低于60%時,可令22kW的繞組運行;當負荷率低于40%時,可令15kW的繞組運行。如果抽汲工況發(fā)生變化,負荷較大時,兩個繞組都投入。這樣,電動機在各種情況下都有較高的負荷率,解決了“大馬拉小車”的問題。電動機運行效率和功率因數(shù)都有較大的提高,原有電動機的改造成本也低。缺點是不能解決系統(tǒng)配合的問題,起不到系統(tǒng)節(jié)能的作用。大慶油田也曾用兩臺電動機聯(lián)軸當成一個電動機使用,電動機可根據(jù)負荷情況進行切換,通過提高負荷率來達到節(jié)能的目的。這種方法要求兩臺電動機額定轉(zhuǎn)速相同,且有一個電動機必須是雙軸伸。聯(lián)軸時,

14、同軸度要求較高,現(xiàn)場安裝難度大,使用不太方便。6.繞線式異步電動機繞線式異步電動機也是在石油天然氣總公司的資助下,由石油大學(xué)與勝利油田合作研制和試驗的。方法是在普通繞線式異步電動機(YZR系列轉(zhuǎn)子滑環(huán)的輸出引線端接一個三相整流橋,整流橋后接一大功率電阻,電阻兩端并聯(lián)一個電力電子開關(guān)(IG B T。根據(jù)電動機電流的變化規(guī)律,控制IG2 B T以脈寬調(diào)制(PWM方式通斷,構(gòu)成調(diào)制斬波電阻,使得在換向或沖擊載荷時電動機的機械特性變軟,從而改善系統(tǒng)的配合,提高系統(tǒng)效率。在曲柄轉(zhuǎn)過換向點時控制IG B T導(dǎo)通,切斷電阻,使電動機工作在硬特性,效率恢復(fù)到正常值。這不僅兼顧了超34第27卷第3期白連平等:關(guān)

15、于游梁式抽油機用電動機節(jié)能的討論高滑差電動機和普通電動機的優(yōu)點,同時又克服了兩者的缺點。這種電動機的另一個優(yōu)點是啟動電流小,是額定電流的210倍,而且啟動轉(zhuǎn)矩大,系統(tǒng)效率的提高與超高轉(zhuǎn)差電動機相近,但電阻損耗和器件損耗比超高轉(zhuǎn)差電動機低,而且損耗是在電動機外部,電動機不會過熱。其成本比同功率的普通Y 系列電動機高約80%。另外,人們在雙速電動機、Y/轉(zhuǎn)換電動機、節(jié)能安全聯(lián)軸器15、節(jié)能蓄能器16,17等方面也做了大量的工作,并在一定范圍內(nèi)得到推廣應(yīng)用。游梁式抽油機用電動機節(jié)能是一個非常復(fù)雜的問題,選擇方案時要考慮電動機效率、功率因數(shù)、系統(tǒng)增效、成本投入、可靠性及現(xiàn)場管理等問題。下面以Y系列電動

16、機為參照,選取負荷率為014,將上面的各種電動機節(jié)能情況列于表1。表1各種電動機節(jié)能情況(負荷率為0140電動機種類系統(tǒng)增效(%功率因數(shù)電動機效率(%啟動性能損失效率(%Y系列電動機0016088差0變頻調(diào)速電動機20110089好10超高轉(zhuǎn)差電動機15018580好0電磁調(diào)速電動機18018390較好15稀土永磁電動機0019095差0雙功率電動機0018090較好0繞線式電動機15018390好5表1中的系統(tǒng)增效是指機、桿、泵整個系統(tǒng)效率提高的潛力;損失效率是指節(jié)能系統(tǒng)本身的損耗;啟動性能是指電動機啟動電流小,啟動轉(zhuǎn)矩大為好。另須說明的是,表中的數(shù)據(jù)是在參考文獻提供資料的基礎(chǔ)上分析綜合的結(jié)

17、果,是定性和定量的綜合表述。前景與展望要進一步提高游梁式抽油機的節(jié)能效果,一方面應(yīng)從改善現(xiàn)有電動機的機械特性入手,使其機械特性與抽油機的負載特性互相配合,在負荷較小時工作特性較硬,負荷變大時特性變軟,既可減小輕載時的轉(zhuǎn)差損耗,又可像超高轉(zhuǎn)差電動機那樣增大抽油泵柱塞行程,提高泵效,提高系統(tǒng)效率。要達到此目的,最理想的是用頻敏材料制造電動機的轉(zhuǎn)子繞組,但目前還未見有關(guān)研制成功頻敏效果較好(在050Hz內(nèi)材料的報道,一旦頻敏材料的研究取得突破,必將給電動機的制造和節(jié)能開創(chuàng)新的途徑。另一方面是研制四象限變頻器,這樣就可以把電動機發(fā)電狀態(tài)所發(fā)的電回饋電網(wǎng)。國外已有此類產(chǎn)品,但價格很高。國內(nèi)有些單位也在做

18、這方面的工作?？傊?盡管目前在游梁式抽油機用電動機節(jié)能方面做了大量工作,但要解決的問題還是很多,電動機節(jié)能情況不太理想,還需各方面做出更多的努力。參考文獻1許實章.電機學(xué)(下冊.北京:機械工業(yè)出版社,1989:91 9912曹小元,袁經(jīng)棠.T Y系列三相稀土永磁同步電動機節(jié)能效益分析.中小型電機,1992,19(2:3941(4:313217蕭南平.節(jié)能蓄能器及游梁式抽油機節(jié)能動力裝置.石油機械,1997,25(2:2829(本文編輯趙連祿44石油機械1999年Yu Qi(Jixi S pecial Mine Tools Plant,Jixi City,Heilongjiang Provinc

19、e,Song Shengwei,Yu Hongwei,et al.N ew chain pumping unit using MON type m ain drive system.CPM,1999,27(3:3637The main drive chain,cycle chain and bearing chain of the new chain pumping unit using MON type main drive sys2 tem presented in this article are arranged in M,O,N pattern.The chain link is t

20、he reverse mechanism,functions as slid2 ing bearing and makes the cycle chain and main drive chain parallel to change the circulation into reciprocation.The bear2 ing chain bears the equilibrium load to reduce the force on the main drive chain to a great degree.The main drive chain and the bearing c

21、hain divide the polished rod load into reverse pumping load and equilibrium load.The difference of the lengths of the two chains produces a differential action to damp the reverse inertia impact of the counterbalance weight. Equipped with MON type main drive system,the chain pumping unit is characte

22、rized by large load,long stroke and low pumping speed.Subject Concept T ermschain pumping unitdrive systemdrive chainarrangementY ao Jianshe(Oil Production Technology Research Instit ute,Xinjiang Pet roleum A dminist ration,Karam ay,Xin2 jiang,Wang Wenran,Qi Dunsu.N ew labyrinth high pressure differ

23、ential steam flow control valve.CPM,1999,27 (3:3840Based on an analysis of the structure,working principle and problems of high pressure differential flow control valves,a new labyrinth high pressure differential steam flow control valve for viscous oil thermal recovery is developed. The valve can p

24、rovide low flow rate under high pressure differential with reliable and easy operation.When the inlet pres2 sure and outlet pressure of the valve is914MPa and312MPa respectively,the noise of the valve is10dB,this means ero2 sion and noise of the valve are reduced greatly.Subject Concept T ermssteam

25、injectionflow controlcontrol valvehigh pressure differentialBai Lianping(U niversity of Pet roleum,Dongying City,S handong Province,Ma Wenzhong,Y ang Y an,et al.E nergy saving of electric motor on beam pumping units.CPM,1999,27(3:4144The energy saving method of the electric motor under general load

26、and the load characteristics of beam pumping units are introduced,and the situation of energy saving of several electric motor used or tested in oilfields is summarized.The energy saving of the electric motor on beam pumping units should include:(1improving the duty factor and efficiency of the moto

27、r;(2softening the mechanical behaviors of the motor and improving the matching of its mechanical behaviors and load characteristics of the pumping unit to enhance the efficiency of the pumping system.And the energy saving po2 tential of the latter is much larger.What should be done at present is to

28、develop frequency sensitives for motor rotor wind2 ings and reliable four2quadrant frequency converter to realize power feedback.Subject Concept T ermsbeam pumping unitelectric motorenergy savingefficiencyCao Feng(The N ational Research Center of Fl uid Machinery and Com pressor,Xian Jiaotong U niversity,Xian,Shu Pengcheng,X ing Z iwen