抽油机电机的节能改造

第18卷, 总第100期2000年3月, 第2期

节能技术

E NERGY CONSERVATION TEC HNOLOGY

Vol. 18, Sum No. 100

Mar 2000, No. 2

抽油机电机的节能改造

西安石油学院 薄保中长庆石油勘探局 龚新强

摘 要:本文分析了抽油机负载的特点, 提出了一种经济实用的抽油机电机节能改造的方法, 计算结果和油田现场试验结果都说明了这种方法是正确和切实可行的。

关键词:节能改造; 抽油机; 电机; 节能

中图分类号:TM3 文献标识码:B 文章编号:1002-6339(2000) 02-0031-02

Motor Reconstruction for Energy Saving of O il -pumping Units

Bo Baozhong

Xi an Institute of Petroleum

Gong Xinqiang

Changqin Petroleum E xploration Burean

Abstract:This paper analyses the load features of oil-pumping units and presents a practical ecconomical motor re -construction method for energy -saving. Both caculating results and oil-field testing results demonstrate that the method is correct and feasible.

Key words:induction motor; energy-saving; oil-pumping unit 抽油机是石油行业的用电大户, 其用电量约占油田总用电量的40%左右, 由于抽油机负载一般呈周期性波动, 负载率又低, 因而抽油机系统的效率很低, 据统计最高不过30%, 电能浪费严重。近几年来, 高转差电机等节能电机的应用受到了好评, 但是由于资金短缺, 用节能电机替代普通异步电动机, 工作进展速度仍不能令人满意。近几年来油价下调, 油田效益滑坡, 抽油机电机节能不仅意义大, 而且迫切。我们从油田实际出发, 开展了对油田现有电机进行节能改造的工作。

此时, 不管是异步电动机还是同步电动机, 都会进入发电制动状态。

(3) 负载扭矩平均值约为最大值的1/3, 一个周期中, 上下两个冲程各有一个死点, 抽油机自由停车后再起动时, 总是从两个死点中负载较大的死点处起动。

抽油机的负荷特点决定了选用普通异步电动机来驱动抽油机不可避免地就会形成 大马拉小车 的现象。首先, 抽油机起动时都是带载起动, 惯性矩较大, 起动时又总在上下死点处起动, 油田在选配电机时为了起动顺利, 不影响生产, 一般按最大扭矩选配电机, 而抽油机起动后正常工作时平均转矩与最大扭矩相比又较低, 所以电机输入功率仅有额定功率的三分之一, 这是造成 大马拉小车 的主要原因。其次, 油田在选配电机时考虑油井工况异常, 如砂卡结蜡时, 不致因起动困难烧毁电动机, 当油井负荷因修井等原因负荷变大时不频繁更换电动机, 而人为的又增大了裕量, 加剧 大马拉小车 这一现象。

据统计抽油机的平均负荷率一般在20%左右, 少数负荷率高的也仅为30%, 低负荷运转造成电机效率低, 功率因数低。抽油机的负荷呈周期性波动, 电机转速波动, 增加了电机的损耗。周期性的负功率的大小与抽油机的平衡情况有关, 但难以根除这一现象。负功率在抽油机电机和电网之间流动, 有功电能的吞吐增加了电机和电网的损耗, 同时导致功率因数严重恶化。

1 抽油机负载特点

抽油机靠抽油杆的上下运动将原油抽汲到地面的管网中, 抽油机的上冲程提起油柱时要的功率大, 而下冲程时勿需动力可自行下落。为了使负荷均匀, 一般配有某种平衡机构, 如平衡块, 电机轴上形成的总负载转矩为油井负荷扭矩与平衡扭矩之和。如图1所示为抽油机的负荷曲线, 即总负载转矩M 与曲柄转角 的关系曲线M =M ( ) 。

不同的油井其负荷曲线不同, 主要与井况和平衡有关。总之, 抽油机的负荷曲线有以下特点:

(1) 抽油机的负荷呈周期性波动, 波动频率常用冲次表示, 抽油机冲次一般说来为6~12次/分, 即波动周期5~10秒。

(2) 平衡扭矩是一正弦曲线, 而油井负荷扭矩不规则, 形成的总负载转矩曲线M( ) 常出一、二次负功率,

收稿日期 2000-01-12

作者简介:薄保中, 男, 西安石油学院讲师, 1990年毕业于西北工业大学电气技术专业, 工学硕士学位, 现从事电气传动方面的教学和油田电机节能的研究工作。

表1 定子绕组换接后电机的过载能力

抽头比

等效降压比过载能力变比改接后最大转矩倍数

K Ku K t K m

1 20 780 561 12

1 10 710 470 94

2 10 660 410 82

3 计算与现场测试结果分析

图1 抽油机电机总负载转矩M 与曲柄转角 的关系曲线

2 节能原理与改造方案

对于异步电动机来说, 当频率不变时, 对应一定的负载转矩M(M

所示。

3 1 计算实例

采用异步电动机的T 型等值电路对Y90L-4电机在不同负载率、不同抽头比时的有功电能节电率和无功电能节电率进行了计算, 在实验室模拟抽油机负载进行了试验, 试验结果与计算结果基本相符。

表2 不同负载率、不同抽头比时的有功电能节电率

10%20%30%

1 29 2%6 3%3 6%

1 110 5%7 6%2 45%

2 112 1%8 2%1 3%

表3 不同负载率、不同抽头比时的无功电能节电

率

图2 输入功率P 1随电压变化的曲线P 1=f (U)

10%20%30%

1 230%31%39%

1 137%39%39%

2 135%33%34%

前已述及, 抽油机的负荷是呈周期性波动的, 要使抽油机电机在负荷曲线的每一点都工作在最优, 那么, 抽油机电机的输入电压应随负载扭矩周期性地变化, 即U =U( ) 。要随负荷波动而连续地改变输入电压, 需要有一个类似与Nola 功率因数控制器的交流调压装置, 目前技术上是完全可行的, 变压变频会更适合于抽油机节能。电力电子节能装置用于抽油机节能, 大部分油田不可行, 抽油机户外工作, 环境恶劣; 成本太高; 设备损坏油田无法自行维护; 另外相当一部分油田设备失窃严重, 也成为阻碍高新产品应用的一个现实问题。

尽管不能采用电力电子节能装置, 但用继电接触器对抽油机电机定子绕组进行切换来实现有级的降压节能还是切实可行的。常用的抽油机电机的功率一般为7. 5kW ~75kW, 普通Y 系列异步电动机的定子绕组接法为三角形, 抽油机要求起动转矩大, 起动时定子绕组接成三角形; 抽油机起动后正常工作时, 将每组绕组分成两部分, 接成延边三角形, 降低了相电压, 降低了输入功率, 达到了节能目的。对现有的电机可考虑接成1 1和1 2两种情形。

定子绕组换接后, 电机相电压降低, 最大转矩减少, 过载能力随之下降。若最大转矩小于抽油机的峰值扭矩, 则可能发生抽油机运行中停车现象, 因而需考察其过载能力。

定义 抽头比 K =Y 形部分匝数/三角形部分

匝数,

过载能力变比 K t =延边三角形接法时最大转矩/三角形接法时最大转矩

等效降压比 K u =延边三角形接法时等效相电压/三角形接法时的相电压

改接后最大转矩倍数 K m =延边三角形接法时最大转矩/电机的额定转矩

这里, 普通Y 系列电机在额定电压下, 最大转矩与电机的额定转矩之比, 对抽油机常用的六极和八极电机为2 0倍。3 2 现场应用实例

在计算和室内实验的基础上, 某油田节能监测站在油田现场对两台22kW Y200L 2-6电机按1 2接法进行了测试, 现场测试结果如下表4。

表4 22kW Y200L2-6电机现场节能测试结果

油井号1#2#

负荷率15%20%

有功节电率

14%9%

无功节电率

17%19%

现场测试有功节电率高于室内实验结果, 这与稀土永磁同步电动机的情况相同, 我们认为这与脉动负荷过渡过程的损耗有关, 也与抽油机的瞬时负功率的影响有关。3 3 结论

本文分析了抽油机负载特点, 根据调压节能的原理提出一种电机节能改造思路, 实践证明这一方法是切实可行的。本文的工作可以得出以下结论:

(1) 保留了原电动机的起动特性, 即起动电流不变, 起动力矩不变, 使得改造后的电机能在原来的运行场合正常运转。

(2) 节电率随负载变化, 负载越轻, 节电率越高。(3) 不但可对Y 系列电机, 稍作改进也可用于油田上尚存的JO2系列电机。

(4) 本装置简便易行, 投资少, 见效快。适合油田三产、采油厂等进行技术改造, 电动机的绕组重绕熟练的电机维修工都可完成, 而控制箱的制作更简单。

参考文献

1 赵之善等 论抽油机的合理拖动 J 石油机械, Voll6, No. 5, 1998年5月

2 赵家礼译 电动机运行与节能技术 M 机械工业出版社, 1989年7月

3 季杏法编 小型三相异步电动机技术手册 M 机械工业出版社, 1987年6月

第18卷, 总第100期2000年3月, 第2期

节能技术

E NERGY CONSERVATION TEC HNOLOGY

Vol. 18, Sum No. 100

Mar 2000, No. 2

抽油机电机的节能改造

西安石油学院 薄保中长庆石油勘探局 龚新强

摘 要:本文分析了抽油机负载的特点, 提出了一种经济实用的抽油机电机节能改造的方法, 计算结果和油田现场试验结果都说明了这种方法是正确和切实可行的。

关键词:节能改造; 抽油机; 电机; 节能

中图分类号:TM3 文献标识码:B 文章编号:1002-6339(2000) 02-0031-02

Motor Reconstruction for Energy Saving of O il -pumping Units

Bo Baozhong

Xi an Institute of Petroleum

Gong Xinqiang

Changqin Petroleum E xploration Burean

Abstract:This paper analyses the load features of oil-pumping units and presents a practical ecconomical motor re -construction method for energy -saving. Both caculating results and oil-field testing results demonstrate that the method is correct and feasible.

Key words:induction motor; energy-saving; oil-pumping unit 抽油机是石油行业的用电大户, 其用电量约占油田总用电量的40%左右, 由于抽油机负载一般呈周期性波动, 负载率又低, 因而抽油机系统的效率很低, 据统计最高不过30%, 电能浪费严重。近几年来, 高转差电机等节能电机的应用受到了好评, 但是由于资金短缺, 用节能电机替代普通异步电动机, 工作进展速度仍不能令人满意。近几年来油价下调, 油田效益滑坡, 抽油机电机节能不仅意义大, 而且迫切。我们从油田实际出发, 开展了对油田现有电机进行节能改造的工作。

此时, 不管是异步电动机还是同步电动机, 都会进入发电制动状态。

(3) 负载扭矩平均值约为最大值的1/3, 一个周期中, 上下两个冲程各有一个死点, 抽油机自由停车后再起动时, 总是从两个死点中负载较大的死点处起动。

抽油机的负荷特点决定了选用普通异步电动机来驱动抽油机不可避免地就会形成 大马拉小车 的现象。首先, 抽油机起动时都是带载起动, 惯性矩较大, 起动时又总在上下死点处起动, 油田在选配电机时为了起动顺利, 不影响生产, 一般按最大扭矩选配电机, 而抽油机起动后正常工作时平均转矩与最大扭矩相比又较低, 所以电机输入功率仅有额定功率的三分之一, 这是造成 大马拉小车 的主要原因。其次, 油田在选配电机时考虑油井工况异常, 如砂卡结蜡时, 不致因起动困难烧毁电动机, 当油井负荷因修井等原因负荷变大时不频繁更换电动机, 而人为的又增大了裕量, 加剧 大马拉小车 这一现象。

据统计抽油机的平均负荷率一般在20%左右, 少数负荷率高的也仅为30%, 低负荷运转造成电机效率低, 功率因数低。抽油机的负荷呈周期性波动, 电机转速波动, 增加了电机的损耗。周期性的负功率的大小与抽油机的平衡情况有关, 但难以根除这一现象。负功率在抽油机电机和电网之间流动, 有功电能的吞吐增加了电机和电网的损耗, 同时导致功率因数严重恶化。

1 抽油机负载特点

抽油机靠抽油杆的上下运动将原油抽汲到地面的管网中, 抽油机的上冲程提起油柱时要的功率大, 而下冲程时勿需动力可自行下落。为了使负荷均匀, 一般配有某种平衡机构, 如平衡块, 电机轴上形成的总负载转矩为油井负荷扭矩与平衡扭矩之和。如图1所示为抽油机的负荷曲线, 即总负载转矩M 与曲柄转角 的关系曲线M =M ( ) 。

不同的油井其负荷曲线不同, 主要与井况和平衡有关。总之, 抽油机的负荷曲线有以下特点:

(1) 抽油机的负荷呈周期性波动, 波动频率常用冲次表示, 抽油机冲次一般说来为6~12次/分, 即波动周期5~10秒。

(2) 平衡扭矩是一正弦曲线, 而油井负荷扭矩不规则, 形成的总负载转矩曲线M( ) 常出一、二次负功率,

收稿日期 2000-01-12

作者简介:薄保中, 男, 西安石油学院讲师, 1990年毕业于西北工业大学电气技术专业, 工学硕士学位, 现从事电气传动方面的教学和油田电机节能的研究工作。

表1 定子绕组换接后电机的过载能力

抽头比

等效降压比过载能力变比改接后最大转矩倍数

K Ku K t K m

1 20 780 561 12

1 10 710 470 94

2 10 660 410 82

3 计算与现场测试结果分析

图1 抽油机电机总负载转矩M 与曲柄转角 的关系曲线

2 节能原理与改造方案

对于异步电动机来说, 当频率不变时, 对应一定的负载转矩M(M

所示。

3 1 计算实例

采用异步电动机的T 型等值电路对Y90L-4电机在不同负载率、不同抽头比时的有功电能节电率和无功电能节电率进行了计算, 在实验室模拟抽油机负载进行了试验, 试验结果与计算结果基本相符。

表2 不同负载率、不同抽头比时的有功电能节电率

10%20%30%

1 29 2%6 3%3 6%

1 110 5%7 6%2 45%

2 112 1%8 2%1 3%

表3 不同负载率、不同抽头比时的无功电能节电

率

图2 输入功率P 1随电压变化的曲线P 1=f (U)

10%20%30%

1 230%31%39%

1 137%39%39%

2 135%33%34%

前已述及, 抽油机的负荷是呈周期性波动的, 要使抽油机电机在负荷曲线的每一点都工作在最优, 那么, 抽油机电机的输入电压应随负载扭矩周期性地变化, 即U =U( ) 。要随负荷波动而连续地改变输入电压, 需要有一个类似与Nola 功率因数控制器的交流调压装置, 目前技术上是完全可行的, 变压变频会更适合于抽油机节能。电力电子节能装置用于抽油机节能, 大部分油田不可行, 抽油机户外工作, 环境恶劣; 成本太高; 设备损坏油田无法自行维护; 另外相当一部分油田设备失窃严重, 也成为阻碍高新产品应用的一个现实问题。

尽管不能采用电力电子节能装置, 但用继电接触器对抽油机电机定子绕组进行切换来实现有级的降压节能还是切实可行的。常用的抽油机电机的功率一般为7. 5kW ~75kW, 普通Y 系列异步电动机的定子绕组接法为三角形, 抽油机要求起动转矩大, 起动时定子绕组接成三角形; 抽油机起动后正常工作时, 将每组绕组分成两部分, 接成延边三角形, 降低了相电压, 降低了输入功率, 达到了节能目的。对现有的电机可考虑接成1 1和1 2两种情形。

定子绕组换接后, 电机相电压降低, 最大转矩减少, 过载能力随之下降。若最大转矩小于抽油机的峰值扭矩, 则可能发生抽油机运行中停车现象, 因而需考察其过载能力。

定义 抽头比 K =Y 形部分匝数/三角形部分

匝数,

过载能力变比 K t =延边三角形接法时最大转矩/三角形接法时最大转矩

等效降压比 K u =延边三角形接法时等效相电压/三角形接法时的相电压

改接后最大转矩倍数 K m =延边三角形接法时最大转矩/电机的额定转矩

这里, 普通Y 系列电机在额定电压下, 最大转矩与电机的额定转矩之比, 对抽油机常用的六极和八极电机为2 0倍。3 2 现场应用实例

在计算和室内实验的基础上, 某油田节能监测站在油田现场对两台22kW Y200L 2-6电机按1 2接法进行了测试, 现场测试结果如下表4。

表4 22kW Y200L2-6电机现场节能测试结果

油井号1#2#

负荷率15%20%

有功节电率

14%9%

无功节电率

17%19%

现场测试有功节电率高于室内实验结果, 这与稀土永磁同步电动机的情况相同, 我们认为这与脉动负荷过渡过程的损耗有关, 也与抽油机的瞬时负功率的影响有关。3 3 结论

本文分析了抽油机负载特点, 根据调压节能的原理提出一种电机节能改造思路, 实践证明这一方法是切实可行的。本文的工作可以得出以下结论:

(1) 保留了原电动机的起动特性, 即起动电流不变, 起动力矩不变, 使得改造后的电机能在原来的运行场合正常运转。

(2) 节电率随负载变化, 负载越轻, 节电率越高。(3) 不但可对Y 系列电机, 稍作改进也可用于油田上尚存的JO2系列电机。

(4) 本装置简便易行, 投资少, 见效快。适合油田三产、采油厂等进行技术改造, 电动机的绕组重绕熟练的电机维修工都可完成, 而控制箱的制作更简单。

参考文献

1 赵之善等 论抽油机的合理拖动 J 石油机械, Voll6, No. 5, 1998年5月

2 赵家礼译 电动机运行与节能技术 M 机械工业出版社, 1989年7月

3 季杏法编 小型三相异步电动机技术手册 M 机械工业出版社, 1987年6月