抽油机电机高耗低效探因及节能降耗措施

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　　摘要：油田生产过程中存在较大的节电潜力，大量电机处于"大马拉小车"的状态，效率低。中小型三相异步电动机耗电约占35%，是耗能大户。
　　
　　引言
　　
　　
　　在胜利油田各采油厂，电机是原油生产的主要动力，被广泛应用在油田生产生活的各个领域，机械采油、注水、油气集输三大系统的电力驱动装备几乎是电机，可以电机是油田的主要用电设备，占总耗电量的80%。然而，在生产实际中，由于管理技术水平等问题，很多电机处于轻载、低效、高耗能的运行状态，电能浪费严重。因此，电机节能降耗是油田节电降耗、降低开采成本的主要探索方向。
　　
　　 1 电机高耗低效运行的原因
　　 胜利油田使用电机的机采系统、输油（气）系统、注水系统、水泵系统，其电机的运行状况均不乐观，离经济运行有一定的差距，造成电机效率低下，能耗过大。其原因主要有以下几个方面：
　　 1.1老旧电机数量仍然较多
　　 部分电机使用时间过长，内部材料老化严重，有些电机的使用时间在20-30年以上；而另一部分电机制造工艺已属落后淘汰技术，各类技术性能参数远差于新型电机。无论是电机过旧还是制造工艺过时，均会造成电机运行负担加重，电机效率低下，电机损耗也远远高于新装或新型电机。
　　 1.2电机匹配不当，运行设置不科学
　　 机械设备与电机配套不合理，包括形式选用不合理、容量选用不合理、转矩和转速选用，不合理等现象比较普遍，而机动设备的用户也由于对设备的选用不合理，运行方式不合理，造成大量的电机处于低效率运行状态。很多电机在选配时没有认真规划，导致真正投入使用后电机额定功率对匹配功率过大（大马拉小车）或过小（小马拉大车）的问题。其中“大马拉小车”使电机多损耗了一部分空载损耗；而“小马拉大车”则使电机超负荷运行，电机负担过重，电机温升过高，严重影响电机使用寿命。
　　 1.3特殊工艺或生产发展需要是电机高耗低效运行的重要因素。
　　 （1）采油系统。抽油机由于其特殊的运行要求，所匹配的电机必须同时满足最大冲程，最大冲次，最大允许挂重的三个要求，还须具有足够的堵转转矩，以克服抽油机启动时严重的静态不平衡。因此，往往抽油机在设计时确定的安装容量裕度较大。如6型抽油机配Y200L-6/18.5kW，10型抽油机配Y250M-6/30kW等，但实际功率却比额定功率要小的多。因此，在抽油机电机的选配上往往安装了容量较大的电机，增加了电机的空载损耗；而抽油机的特殊的负荷变化，使得电机的无用功增加，这都使采油系统和电机的效率较低。
　　 （2）泵类。鉴于油田对输油注水站点扩容的考虑，有时在泵及电机的选配上采取以大带小的方法，以满足以后发展的需要，但很多站点输油量或注水量较小或不断萎缩，造成原来的泵机组配置过大，即严重的“大马拉小车”，且这种状况更多的时候不能立即更变，造成较为严重的电能损失。
　　
　　 2 电机节能测试实验
　　为了研究电机节能潜力，特对油田中电机使用最广泛的抽油机电机和泵类电机进行了节能测试实验。
　　 2.1抽油机电机节能实验
　　 对孤东油田2-13-14井的电机进行了测试，实验主要是通过更换电机（改变电机额定功率大小）来论证节电潜力。
　　 监测发现，在2-13-14井上将Y160 M-6（7.5 kW）电机更换为Y112 M-4B5（4 kW）后，额定功率虽然降低3.5kW，但保证了正常的生产需要，且抽油系统效率略有升高，平衡度保持在80%-110％之间，有功功率从2.39 kW降低到1.45 kW，平均有功节电率达到了36.08%。
　　 通过该实验说明：对抽油机等负载不平稳的系统，可根据电机的实际有功功率大小，选用或更换匹配的电机，降低额定功率，减小功率损失，提高电机电能利用率。
　　 2.2泵类电机节能实验
　　 对孤东联合站2#锅炉房的4#水泵电机进行测试实验，方法是对电机在安装变频装置前后的功率变化情况（有功节电率）进行测算，进而论证变频器对电机的影响。水泵电机控制柜安装了变频器后，可根据生产需要自由调节频率，进而改变泵流量和有功功率，为了方便说明问题，我们可以采集多个频率点进行对比，测算节电率，监测中选取工频（50 Hz）和47 Hz两个频率点。通过监测，频率在47 Hz时，有功功率比工频（50 Hz）时减小4.56 kW，功率因数提高0.0917，有功节电率达到了14.29%。
　　 通过该实验说明：安装变频装置后，不仅可以自由设置频率，即电机以不同的转速运行，从而达到需要的生产参数（如流量），方便生产中灵活调配，而且还可以在保证生产要求的前提下，提高功率因数，降低有功，减少不必要的损耗，是电机节能的有效途径。
　　
　　 3 抽油机电机节能措施
　　电机降低损耗主要从恒定损耗（铁耗和机械损耗）、铜耗及杂散损耗这三个方面人手，实际中的各种措施也是以减少这三种损耗中一个或多个为本质的方法，具体的应用中则主要有以下几种措施：
　　 3.1选用高效节能型电机或专用电机，淘汰老旧落后电机
　　 高效节能型电机的电机损耗仅是传统落后电机的几分之一，但电机效率却明显高于同状态下一般电机，是老旧落后电机更替的首选。
　　 （1）永磁同步电机。抽油机上使用的永磁同步电机是一种异步启动的同步电机，由转子交流启动后牵入同步运行，类似于交流同步电机。其运行是靠定子绕圈在气隙中产生的旋转磁场与转子上磁钢间的相互吸引，使转子与定子气隙磁场同步旋转而做功。其转子等效电阻电路，故功率因数高，因无磁励电流，其空载损耗小。电机效率可达96％左右，较三相异步电机高。
　　 （2）直流电机。直流电机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。
　　 （3）其他专用电机。对有特殊工艺要求的设备，其对电机某一方面性能的要求不同，应结合具体情况具体装配，尽量减少因普通电机为弥补专用电机性能而造成额外电机电耗。
　　 3.2正确匹配电机功率
　　 在选择电机时应注意以下两点：（1）如果电机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电机长期过载，使其绝缘因发热而损坏，甚至电机被烧毁。（2）如果电机功率选得过大，就会出现“大马拉小车”现象。其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还会造成电能浪费。
　　 要正确选择电动机的功率，必须经过以下计算或比较：（1）对于恒定负载连续工作方式，所选电机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。（2）短时工作定额的电机，与功率相同的连续工作定额的电机相比，最大转矩大，重量小，价格低。因此，在条件许可时，应尽量选用短时工作定额的电机。（3）对于断续工作定额的电机，其功率的选择要根据负载持续率的大小，选用专门用于断续运行方式的电机。此外，也可用类比法来选择电动机的功率。所谓类比法。就是与类似生产系统所用电机的功率进行对比。
　　 具体做法是：了解本单位或附近其他单位的类似生产系统使用多大功率的电机，然后选用相近功率的电机进行试车。验证所选电机与生产机械是否匹配。验证的方法是：使电机带动生产机械运转，用钳形电流表测量电机的工作电流，将测得的电流与该电机铭牌上标出的额定电流进行对比。如果电机的实际工作电流与铭牌上标出的额定电流上下相差不大，则表明所选电机的功率合适。

　　 如果电机的实际工作电流比铭牌上标出的额定电流低70％左右，则表明电机的功率选得过大（即“大马拉小车”）应调换功率较小的电机。如果测得的电机工作电流比铭牌上标出的额定电流大40%以上，则表明电机的功率选得过小（即“小马拉大车”，应调换功率较大的电机。
　　 3.3针对不同系统，合理调整系统参数，科学维护，加强管理节能
　　 电机的日常维护也是决定电机是否高效低耗经济运行的重要因素，要按照系统参数设置的要求，定期检查电机运转情况，优化管理和维护。避免电机长时间超负荷、高温运行，对电机效率过低、不能经济运行的电机要及时进行原因监测分析，调整负载状态，尽可能地保持电机长时间处于经济运行状态。
　　 对运行的各个系统，进行正确的参数设置，监控电机与终端装置的匹配状况，避免“大马拉小车”和“小马拉大车”现象，让电机始终保持在经济运行位置。
　　 （1）机采系统。采油系统具有电机启动电流大，运行功率远低于电机额定功率，负荷时刻变化，有上下两个临界点，这些特点要求定期使用嵌型电流表等简易仪器测试抽油机上下冲程最大电流，调整平衡度，使抽油机平衡度保持在80%-110%，将电机的无用功降低到最小。此外，对日产液量太小的油井，采取间开的方法，既可以聚积采油能量提高采油效率，又可节约间歇停井时的电量，如一天平均停井12小时，相应的可节省50％的电费。
　　 2008年6月，孤东采油厂选择了60口抽油机井进行电机中间轴改造，在不影响液量和原油正常生产的情况下，单井平均冲次降低1.8次／分，单井平均输入功率下降2.49千瓦，单井日节电59.5千瓦时，系统效率提高5.05％，综合节电率达29.8％。该技术的应用不仅解决了供液不足、动液面低、产能低的抽油机井运行能耗大的问题，而且解决了抽油机井其动力矩大与运行功率小之间的矛盾，避免了抽油机不必要的高速运行导致的能耗大、减速箱磨损快等问题。
　　 （2）泵系统。无论是输油泵、注水泵或循环水泵，均要监控压力值，推算或测量流量变化，分析生产需求与泵、电机的生产能力的匹配情况。对严重大材小用的泵、电机，可考虑更换较小容量，或对电机进行调速，降低有功功率；对严重不能满足生产的可以增加泵数量或更换大容量泵和电机。
　　 3.4使用软启动、变频调速装置或安装节电装置
　　 通常感应电动机采用直接启动或一般启动的方法，电机的全压起动电流为额定电流的5-7倍，不仅损耗大，对电网冲击也大，机械磨损，振漏大。如果用变频调速启动，可以将起动电流限制到很小，即使是满载起动，也只比额定电流稍大就可以了，损耗大大降低，既不冲击电网，又不冲击机械。
　　
　　 4 结束语
　　目前使用较多的电机是交流电机，约占各类电机总数的85％以上，它具有结构简单、价廉、不需维护等优点，但它的弱点是调速困难，因而在许多应用场合受到限制或借助机械方式来实现调速。使用变频器调速信号传递快、控制系统时滞小、反应灵敏、调节系统控制精度高、使用方便、有利于提高产量、保证质量、降低生产成本，因而使用变频器是企业节能降耗的首选产品。
　　 变频器就负载类型而言主要有两方面的典型应用：（1）以改进工艺为主要目的，确保工艺过程中的最佳转速、不同负载下的最佳转速以及准确定位等。以其优良的调速性能，提高生产率、提高产品质量、提高舒适性，使设备合理化，适应或改善环境等。（2）以节能为主要目的，以流量或压力需要调节的风机、泵类机械的转速控制来实现节能，改造效果非常显著。
　　 随着节能节电技术的不断发展，针对电机节电的各类节电装置也不断涌现，其主要原理是通过各种不同手段动态调节电机运行状态过程中的电压电流，在保证电机转速的前提下，保持电机的输出转矩与负载的精确匹配，有效地减少有功功率和无功功率损耗，也相应减少了磁损耗，同时使电机的功率因数提高。一般情况下综合节电率在15％以上。
　　
　　参考文献:
　　 [1]杨明义．《电能利用率与电能平衡》．中国农业机械出版社，1983.4.
　　 [2]国家质量技术监督局．GB755-2000.旋转电机定额和性能．北京：中国标准出版社，2000.
　　 [3]国家发展和改革委员会．SY/75264-2006.油田生产系统能耗测试和计算方法．北京：石油工业出版社，2006.
　　 [4]中国石油天然气总公司．SY/T6275-1997．石油企业节能监测综合评价方法，北京：石油工业出版社，1997.
　　 [5]国家石油和化学工业局，SY/T6422-1999.石油企业节能产品节能效果测定．北京：石油工业出版社，1999.
　　
　　作者简介：
　　 代军，1972年7月出生，1992年7月毕业于胜利石油学校采油工程专业，2006年5月毕业于中国石油大学网络教育学院采油工程专业。从事采油生产技术工作。

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