关于游梁式抽油机用电动机节能的讨论-

1、关于游梁式抽油机用电动机节能的讨论白连平马文忠杨艳刘猛(石油大学华东程启华(胜利石油管理局东辛采油厂薄保中(西安石油学院摘要介绍了一般负荷下的电动机节能方法和游梁式抽油机负载特点,述评了油田使用或试验的几种电动机节能情况。游梁式抽油机用电动机节能应包括两个方面:一是提高电动机的负荷率和效率;二是使电动机的机械特性变软,改善电动机机械特性与抽油机负载特性的相互配合,以提高机、杆、泵系统效率。两者比较,后者的节能潜力要比前者大得多。因此,后者应该是游梁式抽油机用电动机节能的主要研究方向。当前最理想的途径是开发用于制造电动机转子绕组的频敏材料;其次是研制工作可靠的四象限变频器,把电动机发电状态所发的

2、电回馈电网。主题词游梁式抽油机电动机节能效率电动机节能原理如果电动机运行在额定负荷或额定负荷附近,则电动机属于经济运行。实际上,电动机以轻载运行,即一般称为“大马拉小车”的情况是常见的。因此,电动机节能是不容忽视的重要问题。电动机运行效率取决于电动机负荷率,国家标准G B124971995规定,Y系列(IP4437kW6极电动机的负荷率应大于0140;22kW6极电动机的负荷率应大于0146,此时电动机为经济运行。对于不同功率的Y系列电动机,效率下降点也不同。一般情况下,效率和功率因数随负荷率变化的曲线如图1所示。把效率将要快速下降点a所对应的负荷率称为临界负荷率a。当负荷率>a时,效率

3、的变化不大,这是由于电动机的可变损耗和不变损耗的对比关系所决定的1。当负荷率<0170时,功率因数下降很快。功率因数的低下不但使电动机本身能耗有所增加,而且给电网造成了附加损耗,降低了电网容量和变压器设备的利用率2。从以上讨论可以看出,只要负荷率不低于a,“大马拉小车”的影响主要是降低功率因数。对于一般负荷(如风机、水泵,节能的关键是提高负荷率。如果将负荷率提高到01700180可以说是最佳运行,没有必要提高到1。一般工作在=0170以上,功率因数就比较高 。图1功率因数、效率和负荷率的关系曲线游梁式抽油机用电动机运行特点游梁式抽油机是机械采油的主要设备,约占机第27卷第3期石油机械19

4、99年白连平,副教授,生于1956年,1990年毕业于哈尔宾工业大学,获工学硕士学位,现主要从事电动机拖动与控制的教学和研究工作。地址:(257062山东省东营市。电话:(05468393550(宅。(收稿日期:1998-09-07;修改稿收到日期:1998-11-09采井总数的75%。它工作时承受带冲击性的周期交变负荷,如图2a 所示3。这一负荷特性要求驱动电动机在选择容量时留有足够的裕度,以保证带载启动时能克服抽油机较大的惯性矩,满足启动要求;在运行时有足够的过载能力,以克服交变载荷的最大扭矩。因此,电动机容量选择就过大,负荷匹配不合理,大多数情况下电动机处于轻载状态,负荷率一般为0125

5、%。同时,电动机在一个冲次中还存在两段发电状态,一个冲次内电动机电流如图2b 所示4,在一个冲次内其电压、电流相量图如图3所示。在一个冲次内,电流的大小及相位角总是变化的,相位有大于90°的情况,这段时间有功电流为负,为发电状态,这已从理论上和现场实测得到证明4。在现场实测中,采用两种方法:一是接入三相电度表,在一个冲次内有两次电表反转;二是用计算机采集电压、电流的正弦波形,也清楚看出相位角大于90°的情况。发电情况与平衡有关,平衡效果越差,发电越多。平衡效果较好时,只有一次发电状态。这种特殊负荷给电动机节能带来很大难度。另外,抽油杆运动时的惯性作用和弹性变形,使抽油机在上

6、下死点产生冲击,而普通Y 系列电动机的机械特性是硬特性。在运行过程中转速随负荷变化不大,抽油泵柱塞的实际行程由此变短,从而影响泵的充满率,降低泵效,使整个游梁式抽油机的系统效率降低 。图2一冲次内功率和电流与时间的关系图3电压与电流向量由以上分析可知,游梁式抽油机节能应包括两个方面:一是从电动机本身考虑,就是提高电动机效率和负荷率,从而提高运行效率和功率因数。提高电动机效率的潜力不大,能提高几个百分点就很不容易,而且是以提高电动机成本为代价的。因此,如果负荷率高于临界负荷率,只要并上适当的补偿电容器就达到节能的目的。二是从系统考虑,就是改变电动机的机械特性,使机、杆、泵整个系统达到较好的配合,

7、提高系统效率。两者比较,后者的节能潜力比前者大得多。因此,后者应该是游梁式抽油机用电动机节能的主要研究方向。油田电动机节能情况述评多年来,人们在抽油机用电动机节能方面做了大量的研究工作,为油田的节能做出了很大贡献。从抽油机载荷特性上看,其变化规律比风机、水泵类的载荷复杂得多,这给研究工作带来许多困难。目前油田电动机节能主要分为三个方面:其一,人为地改变电动机的机械特性,以实现负荷特性的柔性配合,从而提高系统效率,实现节能。这种方法主要是改变电源频率。其二,从设计上改变电动机的机械特性(如高转差电动机和超高转差电动机,从而改善电动机与抽油机的配合,提高系统运行效率,达到节能。其三,通过提高电动机

8、的负荷率、功率因数,实现节能。下面对油田普遍使用和正在试验的几种电动机进行分析。1.变频调速电动机5,6这种方案是在普通电动机电源上加变频器,降低了电动机的容量,负荷率得到较大提高,变频器的输入功率因数接近1,并且改变了上、下冲程的速比,也改善了抽油系统的配合。这种方案无论从电动机本身还是从系统配合上都达到了节能目的。美中不足的是,发电时不能回馈,要通过电阻把发电能量放掉。另外,一次投入大,现场管理难度大,而且变频器本身也有功率损耗(约3%,变频器的谐波对电网有影响,并会使电动机附加损耗增大。顺便提及一下节电控制箱。这种可以调整电动机电源的设备是通过电力电子器件来调节电源电压的。调节方法有整数

9、波通断调节和相位调节。电动机的转矩与电压平方成正比,在上下行程和换向点24石油机械1999年调整电压,来改变电动机转速,改善系统配合,达到节能。这种方法调节电压而电源频率并没有改变,功率因数也没有改善,而且所选电动机功率下降的不多,负荷率改善不大。电网谐波比变频器大得多,电动机频繁减速,转子损耗增大,发热较严重,易烧坏电动机。现在油田上使用的有各种各样的节电箱,有的还获国家专利。但是节电箱不会使电动机本身提高效率。如果没有电压和频率调节,也不会使系统节能。如果电控箱中加入补偿电容,不是提高电动机本身的功率因数,而是提高电动机电源端的功率因数,从而达到电网节能。节电箱既无电压或频率调节,又无补偿

10、电容,节能就无从谈起。2.超高转差电动机7,880年代初我国开始研制超高转差电动机。这种电动机的主要特点是机械特性软,遇到换向冲击载荷时,转速下降,靠曲柄惯性作用,减速器和电动机的扭矩变化趋于平缓,峰值扭矩明显降低,从而改善了机、杆、泵的配合,提高了泵的充满系数,增加产液量,达到系统节能的目的9,10。这种电动机的不足是滑差高,损耗较大,效率低。额定效率一般只有018,遇冲击载荷时速度下降,效率更低,电动机发热较严重。有的厂家把电动机外壳作成铝的,以利散热,并且在定子绕组上加温控开关,以控制电动机的温升。这种电动机目前在油田推广使用较多,总体节能效果是好的。3.电磁滑差电动机11电磁滑差电动机

11、是90年代初由胜利油田纯梁采油厂研制的。这种电动机实质上是在普通电动机轴与负载轴之间增加一个电磁离合器,其传递扭矩随电磁离合器的励磁电流的大小而变化,励磁电流是根据电动机电流进行反馈控制的。在冲击载荷时,离合器滑差增大,而电动机本身不会发热,可空载启动。这种电动机可使系统达到较好的配合,但系统节能除去励磁系统的能耗,已所剩无几,只是降低了抽油杆和抽油泵的故障率,延长了检泵周期。另外电磁离合器和励磁控制系统的成本也比较高。4.稀土永磁同步电动机12,1390年代初,大庆石油学院和西安石油学院对稀土永磁同步电动机进行了研制和现场试验,收到了较好效果。这种电动机的转子由磁钢、稀土材料和启动鼠笼组成。

12、转子损耗比普通异步电动机小得多,因此电动机本身的效率比普通Y系列电动机高约5%,功率因数达到019,其额定运行时机械特性比Y系列电动机还硬,因此不能改善机、杆、泵系统配合,起不到系统节能的作用。相同功率的稀土永磁电动机比Y系列电动机成本大约高50%,且启动电流比Y系列电动机还大,启动过程中,电动机转矩有振荡。5.双功率电动机14石油大学与胜利油田合作进行了双功率电动机试验。双功率电动机与普通Y系列电动机的区别在于定子绕组不同,定子绕组是两个可以并联运行的绕组。机座与普通Y系列电动机相同。比如原来37kW的电动机,现在其定子绕组设计成一个为22kW,一个为15kW。电控箱中有一个电流检测电路,并

13、且能够实现绕组的自动切换。启动时可令两个绕组分时投入(时差约015s,总的启动电流减小。当负荷率低于60%时,可令22kW的绕组运行;当负荷率低于40%时,可令15kW的绕组运行。如果抽汲工况发生变化,负荷较大时,两个绕组都投入。这样,电动机在各种情况下都有较高的负荷率,解决了“大马拉小车”的问题。电动机运行效率和功率因数都有较大的提高,原有电动机的改造成本也低。缺点是不能解决系统配合的问题,起不到系统节能的作用。大庆油田也曾用两台电动机联轴当成一个电动机使用,电动机可根据负荷情况进行切换,通过提高负荷率来达到节能的目的。这种方法要求两台电动机额定转速相同,且有一个电动机必须是双轴伸。联轴时,

14、同轴度要求较高,现场安装难度大,使用不太方便。6.绕线式异步电动机绕线式异步电动机也是在石油天然气总公司的资助下,由石油大学与胜利油田合作研制和试验的。方法是在普通绕线式异步电动机(YZR系列转子滑环的输出引线端接一个三相整流桥,整流桥后接一大功率电阻,电阻两端并联一个电力电子开关(IG B T。根据电动机电流的变化规律,控制IG2 B T以脉宽调制(PWM方式通断,构成调制斩波电阻,使得在换向或冲击载荷时电动机的机械特性变软,从而改善系统的配合,提高系统效率。在曲柄转过换向点时控制IG B T导通,切断电阻,使电动机工作在硬特性,效率恢复到正常值。这不仅兼顾了超34第27卷第3期白连平等:关

15、于游梁式抽油机用电动机节能的讨论高滑差电动机和普通电动机的优点,同时又克服了两者的缺点。这种电动机的另一个优点是启动电流小,是额定电流的210倍,而且启动转矩大,系统效率的提高与超高转差电动机相近,但电阻损耗和器件损耗比超高转差电动机低,而且损耗是在电动机外部,电动机不会过热。其成本比同功率的普通Y 系列电动机高约80%。另外,人们在双速电动机、Y/转换电动机、节能安全联轴器15、节能蓄能器16,17等方面也做了大量的工作,并在一定范围内得到推广应用。游梁式抽油机用电动机节能是一个非常复杂的问题,选择方案时要考虑电动机效率、功率因数、系统增效、成本投入、可靠性及现场管理等问题。下面以Y系列电动

16、机为参照,选取负荷率为014,将上面的各种电动机节能情况列于表1。表1各种电动机节能情况(负荷率为0140电动机种类系统增效(%功率因数电动机效率(%启动性能损失效率(%Y系列电动机0016088差0变频调速电动机20110089好10超高转差电动机15018580好0电磁调速电动机18018390较好15稀土永磁电动机0019095差0双功率电动机0018090较好0绕线式电动机15018390好5表1中的系统增效是指机、杆、泵整个系统效率提高的潜力;损失效率是指节能系统本身的损耗;启动性能是指电动机启动电流小,启动转矩大为好。另须说明的是,表中的数据是在参考文献提供资料的基础上分析综合的结

17、果,是定性和定量的综合表述。前景与展望要进一步提高游梁式抽油机的节能效果,一方面应从改善现有电动机的机械特性入手,使其机械特性与抽油机的负载特性互相配合,在负荷较小时工作特性较硬,负荷变大时特性变软,既可减小轻载时的转差损耗,又可像超高转差电动机那样增大抽油泵柱塞行程,提高泵效,提高系统效率。要达到此目的,最理想的是用频敏材料制造电动机的转子绕组,但目前还未见有关研制成功频敏效果较好(在050Hz内材料的报道,一旦频敏材料的研究取得突破,必将给电动机的制造和节能开创新的途径。另一方面是研制四象限变频器,这样就可以把电动机发电状态所发的电回馈电网。国外已有此类产品,但价格很高。国内有些单位也在做

18、这方面的工作。总之,尽管目前在游梁式抽油机用电动机节能方面做了大量工作,但要解决的问题还是很多,电动机节能情况不太理想,还需各方面做出更多的努力。参考文献1许实章.电机学(下册.北京:机械工业出版社,1989:91 9912曹小元,袁经棠.T Y系列三相稀土永磁同步电动机节能效益分析.中小型电机,1992,19(2:3941(4:313217萧南平.节能蓄能器及游梁式抽油机节能动力装置.石油机械,1997,25(2:2829(本文编辑赵连禄44石油机械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