抽油机电机的节能标准改造探讨

在油田生产中使用最为广泛的采油设备就是抽油机，而其庞大的耗电量超过了总用电量的四成，其工作中承受的周期性波动的负载，通常负载率较低，这也导致整个抽油机系统不超过 30% 的负载率，存在较为严重的电能浪费情况。作为电能到机械能转换的设备，抽油机电机这一电气设备承担了系统的原动力，而电机是否节能又直接影响到整个系统的节能状况。为提升抽油机系统的效率，达到节能效果，就需要对电机的耗能原理进行分析，针对高能耗的问题进行适当改造来获得更佳的运行方案。

▲皖南电机：油田专用节能电机 

1 电机节能及能耗分析分析

1.1电机能耗机理

电机分为直流电机、交流电机和控制电机。直流电机的电源为直流电，调速过程平滑，有着良好的启动性和经济性，多用于对调速和气动有一定要求的设备。交流电机的电源为交流电，从电源频率和转数上又分为同步电机和异步电机。电机转速为 n 值，在同步电机中，电源频率和 n 之间的关系固定，在负载变化的情况下也不会发生改变，可对其功率因数进行调节，在空载状态下实现无功功率的调节。对于异步电机，n 值始终低于电源产生的旋转磁场转速，因定子绕组的相数区别可分为单相异步电机和三相异步电机，单相多属于小型，而多相则有着不同的容量。

电机的损耗主要包括了恒定损耗、负载损耗和杂散损耗。恒定损耗不受负载影响，主要是因不同的设计参数而形成的固有损耗，包括转速、结构、制造工艺和材料等，可分为铁心损耗和机械损耗。负载损耗也称为铜耗，是电流在通过转子绕组和定子是而出现损耗，绕组电阻和负载电流决定了该值的大小，占总损耗的两成到七成。杂散损耗是约为总损耗的 10%~15%，是铁心和导线等金属部件在转子、定子的高次谐波下出现的损耗。

1.2高耗低效原因分析

对油田抽油机的使用现状进行统计分析，造成电机高耗低效的原因主要包括大量老旧电机的使用、不当的电机匹配、特殊的工艺要求。当前存在电机超期服役的情况，有的甚至超过二三十年，这些电机内部存在严重的老化，且制造工艺和材料均已淘汰，技术性能无法达到需求，这就使得电机效率远低于新型高效节能电机。

在电机选配方面，存在不合理的情况，主要表现在以下几个方面 ：不合理的形式、不合理的容量、不合理的转速以及不合理的转矩。因工艺需求，抽油机的周期变化负载导致了不同阶段不同转矩，这就需要对容量裕度进行合理配置。

2 抽油机负载特点

抽油机在工作中，油柱上升中需要大功率，而在下方因自由落体不需要动力，为保持均匀负荷，通过添加平衡块的方式来实现平衡，电机轴上所承受的总负载转矩为平衡扭矩加上符合扭矩。在以曲柄转交和总负载转矩的关系形成的抽油机负荷曲线图中，随着油井的变化， 曲线有所不同，受平衡和井况影响，具有以下特点。

抽油机的负载为波动且具有周期性，以冲次来对波动频率进行描述，通常情况下，抽油机冲程为每分钟 6到 12 次，波动周期为 5 到 19 秒。平衡扭矩为正弦曲线，但负荷扭矩呈不规则，总负载转矩曲线在呈现负功率时，电动机会进入发电制动状态。在负载扭矩曲线的一个周期内，平均值在最大值的 1/3 处，上下冲程都存在一个死点，在停车后的启动中，启动点始终未负载较大的死点。

鉴于抽油机负载的特殊性，如果采取普通异步电机就会造成浪费。抽油机的启动是从死点附近带载启动，有着较大的惯性矩，为保证生产的顺利进行，电机的选配过程中就需要以最大扭矩为参考值，但是进入到正常工作后，平均转矩只是最大扭矩的 1/3，使得电机工作始终处于额定功率的 1/3 状态，造成浪费。再者，井场存在砂卡结蜡等情况时，为保证启动过程中不出现烧毁而对电动机进行不断更换，人为因素导致余量的增加，加剧了浪费程度。对现有的抽油机进行负荷率统计，通常在20% 左右，稍微能维持在 30% 这一相对高位，过低的符合运转使得电机效率无法提升，功率因数降低。在抽油机负载的周期性波动带动下，电机转速也出现波动，加大其损耗。因抽油机的平衡决定了周期性负载，无法做到根治。负功率出现在电网和电机中，在有功电能的吞吐作用下，使得功率因数不断恶化。

3 节能及改造过程

关于电机节能方面的标准主要有国家标准 GB18613《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》，现今参考的是 2012年颁布的第三版标准。在该标准中，中小型三相异步电动机效率可分为 1 级、2 级、3 级三个等级， 适用范围为 2 极、4 极、6 极，额定功率在 0.75~375 kW，50 Hz 三相交流电源供电，1000 V 以下电压。抽油机电机进行改造过程中可参考此类标准。

对异步电机进行分析，在不变的频率下，负载转矩M 也为固定值，存在一个电压值 U 使其实现最优化，在该电压下能实现最高效和最小损耗。输入功率 P1 与电压变化 f（u）呈反抛物线分布。鉴于抽油机工作负荷的周期性波动，为实现曲线各点的最优化工作，就需要电机的输入电压也能随着负载扭矩的变化而变化。这就需要功率因数控制器来对输入电压进行调节，使其与负载波动对应，这类交流调压装置在当前技术下较容易实现，提升抽油机节能状况的优化方式可采取变压变频。从抽油机的恶劣工作环境分析，通常不可能采取电力电子节能装置，过高的成本，造成破坏后不能自助修理，且极易发生设备失窃的可能，导致高新设备的应用受阻。

虽然电力电子节能装置在实际应用中无法推广，但是还有一种现实可行的方法，就是对电机定子绕组进行切换。最常见的抽油机电机功率在 7.5~75 kW之间，采取的 Y 系列异步电机，为满足大转矩的启动要求，可在启动时用三角形接法来实现定子绕组。当处于正常工作状态下，对每组绕组分成两部分，形成延边三角形，以此来降低电压和输入功率，实现节能，针对现采用的电机，可采取 1 ∶ 1 和 1 ∶ 2 两种类型。在换接定子绕组后，降低了电机相电压和最大扭矩，这就降低了过载能力。需要对过载能力进行考察，因为当最大扭矩还未达到抽油机峰值扭矩时容易导致停车。

抽头比 K 为 Y 形部分和三角形部分的匝数比，过载能力变比 Kt 为延边三角形接法和三角形接法时的最大扭矩之比，等效降压比 Ku 为延边三角形接法和三角形接法时的等效相电压之比，改接后的最大转矩倍数 Km 为延边三角形接法时的最大转矩与电机额定转矩之比。一般情况下的 Y 系列电机中，抽油机的六、八极电机 Km 值为2。定子绕组换接后电机的过载能力，在 1 ∶ 1 类型中，Ku、Kt、Km 分别为 0.71、0.47、0.94，在 1 ：2 类型中， 分别为 0.78、0.56、1.12。

对原电动机进行改进后，保持了原有的启动力矩和启动电流，使其启动特性不变，改造后的电机也能再远场合正常适用，改造后，负载越小，节电率就会随之变得越高。改造的过程较少投入且操作简单，效果明显， 进行适当改进后也能应用于其他系列电机，适合应用于采油厂的技术改造。

本文来源于《生产质量》。

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