抽油机井更换节能电机选型方法.pdf

钨 i 抽 油 机 井 更 换 节 能 电 动 机 选 型 方 法 l前言 随着国民经济的发展 保护环境这个主题得到了 越来越多的重视 以全国每家月用电减少 1 k W h 计 算 可使我 国少建一座 中型火力发电站 每天 即可减 少 C O 排放数万立方米 油田抽t F J L 井是最为重要的 举升装备之一 仅就某厂而言 每年抽油机井 的耗电 量即可达到约 7 l 0 k w h 如果能够使抽油机井的能 耗得到大幅度下降 仅就节 电 1 0 计算 这个采油厂 的节电量就可达到约 0 7 l 0 k w h 过去抽油机井老 井更换节能电动机时 选型方法均以厂家的经验为主 进行选型 主要存在两个方面的弊端 一是理论依据 较差 更新后 的电动机仍存在功率偏大的情况 二是 依赖于厂方 难免受到厂方经济利益的误导 致使 电 动机选型偏大 那么 是否有一种简单易行的选型方 法 选 出合适节能电动机 2 抽 油 机 减速 箱输出 扭 矩与 运 转功 率的 关系 2 1 输出扭矩与运转功率的关系 抽油机扭矩曲线的应用主要有 个方面的内容 一 是检查是否超扭矩及判断是否发生背击现象 二是 判断及计算平衡 是用于功率分析 减速箱输m的瞬时功率等于瞬时扭矩与 曲柄角 速度 之积 即 J7 M 1 一 个冲程内的平均功率即为 N 去r N q9 r M rp 2 根据公式 2 就可以利用抽油机扭矩 曲线求得减 速箱的平均输 出功率 由于悬点载荷计算扭矩时 忽 略了从悬点到曲柄 的传动效率 所 以 根据扭矩曲线 得到的功率就是光杆功率 如果将公式 2 计算的功率除以抽油机悬点到电 动机 的传动效率 就可 以得到 电动机 的平均输 出功 率 如果可以测得 电动机的输入功率则可得到电动机 的工作效率 反之 得到电动机的功率曲线 也 可得到抽油机 的扭矩曲线 2 2 电动机功率 曲线计算抽油机扭矩曲线的方法 从 目前看 获得电动机功率曲线技术上是完全可 以做到的 并且 已经在矿场应用中通过测试 已经 获 得了相关 的功率曲线 如果将功率曲线上每一点按 照公式 1 进行计算 再除以每一个点 时的电动机至 抽油机曲柄的传动效率 理论上即可获得抽油机曲柄 处的扭矩曲线 在抽油机运转过程中 电动机至抽油机曲柄的传 动效率 随承受的载荷的变化而变化 通常情况下 载 2 0 1 0 年 第 6 期7 2月 出版 荷越 大传动效率越 高 既如此 由于整体传动效率是 变化的 求得每一个 工作 点 的传 动效率 显然是 闲难 的 如果每一个节点选取 的传动效率均取最高值 所 计算的结果是偏高的 用偏高的计算结果用于电动机 选 型的结果也是偏 高的 但在工程应用上 其 结果也 必然 是安 全 的 一 般 电动机 在输 出功率为f 6 0 1 0 0 额定功率 条件下工作时 其效率接近于额定效率 可达 9 0 左 右 即电动机损耗约 占 1 0 对 于非节能 电动机 Y 系列电机 其最大工作效率为9 1 一 般情况下 带传动的损失 以弯 曲损失和弹性滑 动损失为主 理论认为 皮带传动的最大工作效率为 92 减速箱 中有三副轴承 在润滑 良好的情 况下 一 副轴承 的损失约为 l 减速箱三副轴 承的损失约 为 3 减速箱 中一般有 三对人 字齿轮 一对齿轮 传动 功率损失小于 2 则抽油机减速箱三对齿轮 的传动 损失约为4 通常认为减速箱总的功率最小损失约 为6 减速箱的最大传动效率为9 4 根据上述分析 根据电动机功率 曲线折算抽油机 曲柄输出轴处的扭矩曲线的方法是 N q r 3 其中1 1 为电动机至机J 打 柄输 出轴的传动效率 对于原井抽油机不预更换 只更换电动机的情况 下 电动机输 出轴至抽油机曲柄输 轴处 的传 动效率 不变 只是 电动机的效率变化而 已 那 么在选型上不 考虑效率的变化 即可进行选 型设计 另外决定抽油 机是否能够顺利启动并运转 的关键 因素是启动过程 中的最大转矩 对应电机启动功率 曲线最大值 因而 在选型设计采用如下转换 M r 3 电 动 机特性 计算 可获 得电 机的运 转 转矩曲 线 异步电动机的机械特性指 的是 电磁转矩 T与转 差率 S 或转速 n 之间的关系 通常用下式表达 2 p 7 牛 祁 i 2 黝 囊 x 5 JI Sk S 上式 为电动机在任意转差 率条件下 电磁转矩 T 与转差率s 之间的关系 从式 1 可知 电动机 的转矩与最大转矩有关 其 最大转矩可用 过载能力系数 K m 与电动机额定电磁 转矩之积表示 那么 在 电动机额定工作条件下的电 动机电磁转矩为额定转矩 其大小与电动机 的功率成 正比 与电动机的额定转速成反比 通常由下式表达 9 5 s p 柠 6 从公式 3 4 可知 电动机额定 电磁转矩受 三个 方面因素的影响 一 是 电动机的额定功率的影响 二是 电动机的额定转数 或 电机的级对数 一是电动机的转差率 从式 3 可知 电动机的转矩还与临界转差率 S 有关 其临界转差率南下式表达 厂 一 S M 七 聊 一 1 7 通过上述计算方法 可以得到异步电动机任意转 差率条件下 电磁转矩T与转差率s 之间的关系 图 1 电动机磁转 矩曲线图 以电动机 额定功率 3 0 k W不 同转差率下 电动机 电磁转 矩曲线见 冈 1 其 中高转差 电动机额定转速 6 8 9 mi n 过载能力 系数 3 0 计算得 m临界转差率为 4 7 4 0 高启动转矩 电动机额 定转速 7 4 0 ra i n 过载 能力 系数 3 2 计算得 出临界转差 率为 8 3 2 Y系列 电动机额定转速 7 4 0 m i n 过载能力系数 1 6 计算得 鳓 出临界转差率为 3 8 0 经计算得 出不 同转差率下 电磁转矩曲线 4 选型方法及实践 从测得 的更换节能 电动机前启动及运转过程中 的功率曲线可知 抽油机启动过程中的最大功率是实 际运转过程中的平均有功功率的4 5 倍 其产生的 根本原因是抽油机启动所需的高启动扭矩要求 C Y J 1 0 3 3 7 H B 抽油机 电动机功率3 7 k W 8 极 启动 过程与运转过程的电动机功率曲线见图2 运转时间 s 图2 电动机启动和运转过程功率曲线图 该井机型为 C Y J 1 0 3 3 7 H B 使用的电机极数为 8 极 功率 为 3 7 k W 冲速 为6 m i n 按下式求得该井 抽油机运转角速度 一 2 n n 兰 鱼 0 6 2 8 3 2 一 一 6 0 6 O 根据式 3 进行计算 v m 6 6 4 4 1 0 N m t o 0 6 28 3 2 将 砌 1 代入式 4 得出 等 6 6 4 4 10 1 O 5 7 4 X 1 0 Nm 经计算 多功率高转差 电动机 Y C C H 2 8 0 8 额定 功率 3 0 k W 时的最大转矩可达到 1 3 2 6 4 x 1 0 N m 因而 选用该电动机 投入现场应用后效果见表 l 表 l 更换节能电机前后效果对 比 5 结论 5 1 该设计方法具有较强的理论依据 而且突出了 单井的个性化设计 对现场运用具有指导作用 5 2 该设计方法的前提是录取更换节能 电动机之前 的抽油机启动过程的功率曲线作用依据 从 目前测试 技术水平 完全可满足实际需要 5 3 该方法 录取的抽油机启动功率