油田抽油機(jī)節(jié)能方式綜述及解決方案

1、    油田抽油機(jī)節(jié)能方式綜述及解決方案            作者：佚名時(shí)間：2007-11-24 15:54:00                     摘要：目前，抽油機(jī)是應(yīng)用最普遍的石油開采機(jī)械之一，也是油田耗電大戶，其用電量約占

2、油田總用電量的40，且總體效率很低，據(jù)調(diào)查一般在30左右。油田抽油機(jī)負(fù)載是獨(dú)具特點(diǎn)的時(shí)變負(fù)載：有動(dòng)、靜負(fù)載特性之分。起動(dòng)初始狀態(tài)要求拖動(dòng)電機(jī)的起動(dòng)力矩是抽油機(jī)實(shí)際負(fù)載的34倍，甚至更大 關(guān)鍵詞：抽油機(jī) 節(jié)能方式 優(yōu)缺點(diǎn)  1 概述目前，抽油機(jī)是應(yīng)用最普遍的石油開采機(jī)械之一，也是油田耗電大戶，其用電量約占油田總用電量的40，且總體效率很低，據(jù)調(diào)查一般在30左右。油田抽油機(jī)負(fù)載是獨(dú)具特點(diǎn)的時(shí)變負(fù)載：有動(dòng)、靜負(fù)載特性之分。起動(dòng)初始狀態(tài)要求拖動(dòng)電機(jī)的起動(dòng)力矩是抽油機(jī)實(shí)際負(fù)載的34倍，甚至更大，起動(dòng)力矩是抽油機(jī)選配電機(jī)的第一要素。當(dāng)起動(dòng)力矩適用則負(fù)載功率必然匹配不佳，運(yùn)行負(fù)載功率都遠(yuǎn)小于電機(jī)的

3、額定功率，即所謂“大馬拉小車”現(xiàn)象。過(guò)剩的抽油能力令抽油機(jī)的無(wú)功抽取時(shí)間增加，造成油井開采的電費(fèi)成本居高不下，能源浪費(fèi)十分嚴(yán)重?？梢姵橛蜋C(jī)的節(jié)能潛力非?？捎^。2 各種節(jié)能方式的優(yōu)缺點(diǎn)目前直接針對(duì)抽油機(jī)節(jié)電的技術(shù)主要有兩大類：1） 開發(fā)不同類型的抽油機(jī)節(jié)能電機(jī)。如高轉(zhuǎn)差率電機(jī)、三相永磁同步電機(jī)、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩雙定子結(jié)構(gòu)電機(jī)和電磁調(diào)速電機(jī)（變極雙速電機(jī)）等。2） 使用節(jié)能配電箱。如定子繞組Y-轉(zhuǎn)換調(diào)壓、電容器動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償及靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償、可控硅調(diào)壓（軟起動(dòng)）、液態(tài)電阻軟起動(dòng)、變頻電源等2.1抽油機(jī)節(jié)能電機(jī)1） 超高轉(zhuǎn)差率電機(jī)據(jù)稱在美國(guó)油井上已安裝幾萬(wàn)臺(tái)，節(jié)電率達(dá)20。但在我國(guó)實(shí)測(cè)結(jié)果是超高轉(zhuǎn)差電機(jī)只在輕

4、載30以下負(fù)載時(shí)有節(jié)電效果。主要原因：首先要使用超高轉(zhuǎn)差率電機(jī)節(jié)電，對(duì)象必須是振動(dòng)載荷大的井（美國(guó)油井的振動(dòng)載荷慣性載荷都大）。其次要求電機(jī)的轉(zhuǎn)差率要適度，不可過(guò)高，一般說(shuō)各大油田，電機(jī)轉(zhuǎn)差率的最大值不能超過(guò)68。近些年，采油工藝的發(fā)展日趨于大沖程、低沖次，這種工藝本身就能最大限度的減少慣性負(fù)荷和振動(dòng)負(fù)荷，因此超高轉(zhuǎn)差率電機(jī)的應(yīng)用范圍被大大縮小。2） 永磁同步電機(jī)這是一種油田所用的新型抽油機(jī)電機(jī)，其效率和功率因素都優(yōu)于一般異步電機(jī)。電機(jī)本身是硬特性，運(yùn)行中無(wú)轉(zhuǎn)差。如TYC250M-6，功率37KW，功率因素0.983，額定電流60.6A，堵轉(zhuǎn)電流12.7倍，堵轉(zhuǎn)力矩3.69倍。缺點(diǎn)：和高轉(zhuǎn)差電

5、機(jī)比，沒(méi)有消減振動(dòng)載荷的能力，反而會(huì)增大對(duì)減速箱齒輪的沖擊損害；釹鐵硼材料本身的居里點(diǎn)只在120130，一旦電機(jī)燒毀就會(huì)失磁；此外轉(zhuǎn)子級(jí)數(shù)已定，不能適用調(diào)參的需要實(shí)行變極調(diào)速。3） 雙定子電機(jī)雙定子電機(jī)是一種新型的異步電機(jī)，做成兩部分定子。起動(dòng)時(shí)集兩部分的合力矩以加大起動(dòng)力矩，待起動(dòng)完成時(shí)則切除一部，留下另一部分運(yùn)行，以適應(yīng)低負(fù)荷時(shí)以低功率來(lái)匹配達(dá)到節(jié)電的目的。缺點(diǎn)電機(jī)的制造難度和成本增加。4） 電磁調(diào)速電機(jī)在抽油機(jī)既定的負(fù)荷條件下，通過(guò)僅改變其繞組結(jié)構(gòu)完成6/8極，8/12極的單繞組非倍極改型設(shè)計(jì)，使其運(yùn)行在原井抽油機(jī)上，其負(fù)荷率從2080變化，電機(jī)都運(yùn)行在高效區(qū)，這種方式既適用于舊電機(jī)改造

6、，又適用于新電機(jī)生產(chǎn)。2.2節(jié)能配電箱1) 定子繞組Y-轉(zhuǎn)換調(diào)壓電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定子繞組為接法，起動(dòng)時(shí)為Y接法。起動(dòng)時(shí)繞組電壓為電網(wǎng)額定線電壓的根號(hào)3分之一，起動(dòng)電壓降低，待接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，定子繞組轉(zhuǎn)換為接法，控制簡(jiǎn)單，但每次起動(dòng)需要人工干預(yù)，減壓范圍一定，用途受到限制。2) 電容器動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償及靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕驹硎前讶菪载?fù)荷與感性負(fù)荷并聯(lián)在同一個(gè)系統(tǒng)中,能量在兩者之間互相轉(zhuǎn)換。這樣,感性負(fù)荷所需的無(wú)功功率可由容性負(fù)荷提供,功率因數(shù)也提高了,也減小了無(wú)功損耗,還可以提高設(shè)備的有功功力、降低功率損耗和電能損失。根據(jù)以上的想法,如果在高壓電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)并聯(lián)適當(dāng)電容值的電容器,同樣可以補(bǔ)償

7、起動(dòng)時(shí)的無(wú)功功率,減小起動(dòng)電壓降。其工作原理是:在啟動(dòng)高壓電動(dòng)機(jī)時(shí),同時(shí)將電容器投入,經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間,迅速退出電容器組。整個(gè)過(guò)程可理解為無(wú)功功率的就地補(bǔ)償,只是時(shí)間很短。電容補(bǔ)償起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)在于起動(dòng)時(shí),電動(dòng)機(jī)的端電壓不降低同樣可以減少起動(dòng)電流,并且不減少起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,縮小起動(dòng)時(shí)間。圖1 電容補(bǔ)償起動(dòng)控制系統(tǒng)圖3) 可控硅調(diào)壓（軟起動(dòng)）一般稱之為電機(jī)的軟起動(dòng)，通過(guò)采用晶閘管調(diào)壓電路來(lái)控制電壓的大小。如圖2所示：圖2 晶閘管調(diào)壓電路雖然采用雙向晶閘管實(shí)現(xiàn)了定子電壓隨負(fù)載變化的連續(xù)調(diào)節(jié)，節(jié)電效果較好，但是電源電流波形發(fā)生畸變，電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重，另外在油田的惡劣環(huán)境下，其可靠性等都受到制約。同時(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成

8、本較高。4) 液態(tài)電阻軟起動(dòng)在起動(dòng)過(guò)程中, 將可變電阻串入定子, 實(shí)現(xiàn)限流, 在起動(dòng)完成后將它短接。電阻的可變性是靠改變電解液電阻箱的極板距離實(shí)現(xiàn)的。電解液電阻箱串入定子的方法在本質(zhì)上屬于降壓起動(dòng), 它是以犧牲起動(dòng)力矩為代價(jià)的。電阻值隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而均勻減少, 借以不斷增加起動(dòng)力矩, 并為短接時(shí)不產(chǎn)生電流沖擊準(zhǔn)備條件。其系統(tǒng)如圖3所示。圖3 液態(tài)電阻軟起動(dòng)在定子回路中串入電液變阻起動(dòng)器的三相電阻, 其中Q F1 為主機(jī)運(yùn)行斷路器,Q S 為隔離開關(guān),Q F2 為星點(diǎn)短接斷路器, RS 為電液變阻起動(dòng)器。電液變阻器由三個(gè)相互絕緣的電液箱構(gòu)成, 內(nèi)部分別盛有電液及一組相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電極板, 導(dǎo)電極

9、板為一動(dòng)一定, 動(dòng)極板組通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及伺服控制系統(tǒng)控制運(yùn)行。起動(dòng)開始后, 根據(jù)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的大小可自動(dòng)地調(diào)整液阻值, 使整個(gè)起動(dòng)過(guò)程控制在較小起動(dòng)電流下均勻升速, 而液阻無(wú)級(jí)切除, 從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)成本低，易于維護(hù)，工作環(huán)境要求不高；缺點(diǎn)：體積大，占地面積大。5) 變頻電源隨著大功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，研制具有高性能價(jià)格比的抽油機(jī)專用變頻電源是有發(fā)展前途的油田節(jié)能產(chǎn)品。如采用基于雙PWM變頻電路的電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電能的雙向流動(dòng)，同時(shí)具有輸入功率因素校正作用。電壓型雙SPWM變頻器主電路如圖4，雙SPWM變頻器控制策略如圖5。圖4 電壓型雙SPWM變頻器主電路以上新型雙SPWM變頻電源

10、實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動(dòng)，且功率因素接近1，是抽油機(jī)類頻繁可逆、快速制動(dòng)負(fù)載的最佳電源選擇，其節(jié)電效率可達(dá)15。其缺陷是設(shè)備成本較高，控制系統(tǒng)復(fù)雜，在油田的惡劣環(huán)境下工作，其可靠性防盜等都成問(wèn)題。但長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，應(yīng)該是發(fā)展方向。圖5 雙SPWM變頻器控制策略3 解決方案基于以上分析，結(jié)合實(shí)際。擬訂以下解決方案。1） 研制和生產(chǎn)節(jié)能型抽油機(jī)專用電機(jī)針對(duì)油田情況，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)油田抽油機(jī)專用特種電機(jī)：抽油機(jī)用永磁同步電機(jī)，電磁調(diào)速電機(jī)和雙定子電機(jī)可以在很短的時(shí)間內(nèi)，得到相關(guān)產(chǎn)品，并推向市場(chǎng)。2） 研制和生產(chǎn)液態(tài)電阻軟起動(dòng)系統(tǒng)液態(tài)軟起動(dòng)技術(shù)，其研究成本較低，周期短，能適應(yīng)油田惡劣的工作環(huán)境，維修簡(jiǎn)單。容易為廣大的油田用戶所接受。場(chǎng)地問(wèn)題在油田不是很突出，以此為相關(guān)電機(jī)的起動(dòng)解決方案，結(jié)合特殊設(shè)計(jì)的油田抽油機(jī)電機(jī)，可以較快的贏得市場(chǎng)和客戶。3） 研究和試推廣雙SPWM變頻系統(tǒng)此項(xiàng)系統(tǒng)是較為先進(jìn)的技術(shù)，其工業(yè)化和市場(chǎng)化的時(shí)間較長(zhǎng)，但其無(wú)