李璦輝（大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠）

鑒于目前國內(nèi)機(jī)械采油井多應(yīng)用旋轉(zhuǎn)電動機(jī)作為其動力源的實(shí)際，著重探討機(jī)采井應(yīng)用旋轉(zhuǎn)電動機(jī)節(jié)能的理論基礎(chǔ)。

國外對節(jié)能電動機(jī)的通俗叫法是“高效率或高效電動機(jī)”，而我國通常叫節(jié)能電動機(jī)。高效電動機(jī)就是在制造上確保其運(yùn)行效率盡量高，并借助于控制系統(tǒng)使其在高效率區(qū)間（85%～95%）運(yùn)行的電動機(jī)。

1 機(jī)采井拖動裝置節(jié)能的理論基礎(chǔ)

機(jī)采井節(jié)能在理論上所追求的是“機(jī)采井的機(jī)械特性與電動機(jī)特性間的合理匹配”，也就是說，真正實(shí)現(xiàn)機(jī)采井運(yùn)行負(fù)載與電動機(jī)輸出負(fù)載間的合理匹配[1]。

在抽油機(jī)拖動裝置的設(shè)計(jì)中，依據(jù)滿足抽油機(jī)曲柄旋轉(zhuǎn)扭矩的要求來設(shè)計(jì)電動機(jī)（選擇電動機(jī)時(shí)必須要考慮電動機(jī)的扭矩）。

1.1 均方根扭矩的計(jì)算方法[2]

依據(jù)凈扭矩曲線計(jì)算其均方根扭矩Te：

式中：

Te——均方根扭矩，kN·m；

N——等分區(qū)間數(shù)；

Tni——瞬時(shí)扭矩值。

均方根扭矩最大值可由下式求得：

式中：

Mmax——計(jì)算最大扭矩，kN·m；

S——實(shí)測光桿沖程，m；

Pmax——實(shí)測最大懸點(diǎn)載荷，kN；

Pmin——實(shí)測最小懸點(diǎn)載荷，kN。

公式（1）的計(jì)算結(jié)果，在示功圖的測試回放中就已經(jīng)計(jì)算完成，這為直接調(diào)用提供了方便。兩種方法的比對結(jié)果顯示，應(yīng)用公式（2）計(jì)算的結(jié)果與公式（1）計(jì)算的結(jié)果其相對誤差在4%以內(nèi)，能夠滿足現(xiàn)場的需求。

1.2 電動機(jī)扭矩的計(jì)算方法

式中：

M——電動機(jī)扭矩，N·m；

P——電動機(jī)功率，kW；

nd——電動機(jī)銘牌轉(zhuǎn)速，r/min。

1.3 抽油機(jī)額定（實(shí)際）扭矩折算成所需電動機(jī)扭矩的計(jì)算方法

其中

式中：

Md——抽油機(jī)額定（實(shí)際）扭矩折算成所需電動機(jī)扭矩，N·m；

d——電動機(jī)皮帶輪直徑，mm；

D——減速器大輪直徑，mm；

k——減速器總傳動比（CYJ10-3-37HB，k=28）；

n——確定抽油機(jī)沖速，min-1。

1.4 將電動機(jī)扭矩折算成電動機(jī)功率的計(jì)算方法

式中：

ηm——從電動機(jī)到曲柄軸的傳動效率，取0.8～0.85；

2 機(jī)采井拖動裝置節(jié)能的設(shè)計(jì)原則

利用能量守恒原理不難看出：所謂機(jī)采井的節(jié)能實(shí)質(zhì)上是指“機(jī)采井的機(jī)械特性與電動機(jī)特性間的合理匹配”，從而確保電動機(jī)始終在高效區(qū)域運(yùn)行。

就常規(guī)的Y系列電動機(jī)而言，當(dāng)其在高效區(qū)域（85%～95%）運(yùn)行時(shí)，一般的節(jié)能設(shè)備對其節(jié)能是不起作用的。

一體化抽油機(jī)節(jié)能拖動裝置是指電動機(jī)具有多速、多功率或超高轉(zhuǎn)差率等特性，并配有專用（實(shí)現(xiàn)電動機(jī)上述特性）的控制柜，此時(shí)的合二或合三(含特殊變壓器)為一才能稱之為一體化，而并不是將配電箱裝在電動機(jī)上就叫一體化。

在綜合考慮了抽油機(jī)的機(jī)械特性、電動機(jī)的特性及其節(jié)電率的情況下，在選用抽油機(jī)節(jié)能拖動裝置時(shí)應(yīng)考慮如下幾個(gè)問題：

1）為有效延長抽油機(jī)的使用壽命，要求其配套的拖動裝置應(yīng)具備較軟的啟動特性。

2）為確保供排關(guān)系的平衡，要求其配套的拖動裝置在啟動后的正常運(yùn)行中其轉(zhuǎn)速基本恒定。

3）具備根據(jù)抽油機(jī)井的工況，自動調(diào)整其輸出功率的功能，以達(dá)到最佳的合理匹配。

4）盡量選用磁級數(shù)≥8的電動機(jī)，以確保其扭矩足夠大，適當(dāng)降低裝機(jī)機(jī)座號（裝機(jī)功率）。

例如：CYJY10-3-37HB抽油機(jī)滿負(fù)載工作時(shí)，其減速箱額定扭矩為37kN·m（n=9r/min），所需最小電動機(jī)扭矩為450N·m。

選用Y280S-837kW電動機(jī)時(shí)其扭矩為477.5N·m，完全滿足要求

選用Y280S-645kW電動機(jī)時(shí)其扭矩為477.5N·m，基本滿足要求

可見，同樣是CYJY10-3-37HB抽油機(jī)，若選用Y280S-837kW的電動機(jī)就能夠完全滿足要求，選用Y280S-645kW的電動機(jī)僅能夠基本滿足要求。

5）電動機(jī)的體積不能過于龐大，盡量選用S、M的機(jī)座號。

3 電動機(jī)星-角接線轉(zhuǎn)換應(yīng)用的理論基礎(chǔ)

從理論上探討了應(yīng)用電動機(jī)星-角接法轉(zhuǎn)換，達(dá)到使其與負(fù)載近似匹配的可行性。

3.1 接線方法的改變

電動機(jī)星-角接法轉(zhuǎn)換是根據(jù)電動機(jī)負(fù)載變化情況，用改變繞組接線方式來調(diào)整電壓，使其與負(fù)載近似匹配，從而達(dá)到一定的節(jié)電效果。當(dāng)電動機(jī)滿載時(shí)，負(fù)載率大于40%，應(yīng)用角形接法，全電壓（380V）運(yùn)行；電動機(jī)輕載時(shí)，負(fù)載率小于40%，應(yīng)用星形接法，繞組在220V電壓下運(yùn)行。

3.2 實(shí)現(xiàn)星-角接線法的理論依據(jù)

由于本文探討的是非自動星-角轉(zhuǎn)換，即需要給出直接采用星運(yùn)行的條件，要求實(shí)現(xiàn)星運(yùn)行后電動機(jī)不能過載，同時(shí)又能夠?qū)崿F(xiàn)合理匹配。

3.2.1 適用場合

應(yīng)用星-角接法對電動機(jī)進(jìn)行節(jié)電轉(zhuǎn)換，應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

1）星-角形接法屬電動機(jī)調(diào)壓，只能用改變繞組接線方式來調(diào)整運(yùn)行電壓，即只能380V、220V跳躍變換，不能隨負(fù)載率變化任意調(diào)整電壓。

3.2.2 關(guān)于星-角接線法轉(zhuǎn)換電動機(jī)功率的確定

交流電路中的電功率：在交流電路中電功率分為 視 在 功 率 S(S =?I線?V線) 、 有 功 功 率P(P =?I線?V線?cosφ ) 和 無 功 功 率Q(Q =?I線?V線?sinφ )。

式中：

S——視在功率，VA；

表1 電動機(jī)調(diào)整預(yù)測結(jié)果

P——有功功率，W；

Q——無功功率，var；

V線——線電壓，V；

I線——線電流，A；

cosφ——功率因數(shù)。

有功功率的計(jì)算：對于恒定的負(fù)載而言，在功率因數(shù)一定的條件下（實(shí)際上△接與Y接中的cosφ不可能相等）。

假設(shè)負(fù)載恒定，△接與Y接中的cosφ相等，則：

角形連接中

星形連接中

實(shí)際應(yīng)用：由于扭矩與電壓的平方成正比，星接扭矩只有角接扭矩的1/3；利用實(shí)測的功率因數(shù)，借助于△接中的額定電流與工作電壓來計(jì)算

式中：Ie——額定電流，A。

角接直接變?yōu)樾墙拥臈l件是：抽油機(jī)的負(fù)載扭矩小于電動機(jī)△接工作扭矩的1/3；電動機(jī)的銘牌功率將變?yōu)?/p>

這種方法適用于電動機(jī)繞組角接，接線盒有6個(gè)接線柱，處于輕載運(yùn)行或滿載-輕載交替運(yùn)行的電動機(jī)。角-星形接法轉(zhuǎn)換只需對電動機(jī)一、二次接法略為改動，改法簡單，可有效地避免不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式。

4 常規(guī)電動機(jī)合理匹配的現(xiàn)場試驗(yàn)

為了進(jìn)一步提升機(jī)采井的管理水平，本著確保抽油機(jī)井經(jīng)濟(jì)、安全、平穩(wěn)運(yùn)行的原則，對45口抽油機(jī)井電動機(jī)的匹配情況進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果見表1、表2。

分析結(jié)果顯示，這些井在用電動機(jī)的匹配情況不容樂觀，主要存在兩類問題井，低負(fù)荷井15口，超負(fù)荷井2口。結(jié)合目前實(shí)際，提出井13與井15進(jìn)行電動機(jī)調(diào)整。

表2 電動機(jī)調(diào)整后結(jié)果

4.1 井13與井15現(xiàn)狀

井13在用機(jī)型為CYJ10-4.2-53HB，使用沖程3.6m；使用沖速8min-1，在用電動機(jī)為YCY280M2-8，銘牌功率55kW，抽油泵為CYB38TZAM6.64-1.5。

井15在用機(jī)型為CYJ10-4.2-53HB，使用沖程4.2m；使用沖速10min-1，在用電動機(jī)為SD/YCHD250-8/6雙速可調(diào)電動機(jī)，銘牌功率20kW/30kW，抽油泵為CYB57TZAM6.48-1.5。

目前，井15在用的是節(jié)能電動機(jī)，一直處于超負(fù)荷運(yùn)行，進(jìn)入伏天后，此井存在燒電動機(jī)的隱患；而井13又是低負(fù)荷井，上述2口井具備實(shí)施電動機(jī)逐級匹配的條件，對井13與井15的電動機(jī)進(jìn)行互換。

4.2 電動機(jī)調(diào)整設(shè)計(jì)結(jié)果

應(yīng)用抽油機(jī)拖動裝置的設(shè)計(jì)方法的理論，對2口井電動機(jī)對調(diào)情況進(jìn)行了預(yù)測，情況見表1。

從計(jì)算結(jié)果中可以看出，這2口井的電動機(jī)對調(diào)是合理的。

4.3 電動機(jī)調(diào)整效果

上述2口井實(shí)施了電動機(jī)對調(diào)，從運(yùn)行情況來看，2口井的消耗功率都有所降低，系統(tǒng)效率得到了一定的提高，其平均有功節(jié)電率達(dá)到了15.87%，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的效果。

5 結(jié)論與認(rèn)識

1）為有效延長抽油機(jī)的使用壽命，要求其配套的拖動裝置應(yīng)具備較軟的啟動特性。

2）為確保供排關(guān)系的平衡，要求其配套的拖動裝置在啟動后的正常運(yùn)行中其轉(zhuǎn)速基本恒定。

3）盡量選用磁級數(shù)≥8的電動機(jī)，以確保其扭矩足夠大，適當(dāng)降低裝機(jī)機(jī)座號（裝機(jī)功率）。

4）電動機(jī)的合理匹配，是實(shí)現(xiàn)機(jī)采節(jié)能的有效途徑之一。

5）對于如何開展星形接法運(yùn)行的匹配，應(yīng)盡快地開展試驗(yàn)。

[1]王鴻勛,張琪.采油工藝原理[M].北京:石油工業(yè)出版社,1989:18.

[2]董世民,張士軍.抽油機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)[M].北京:石油工業(yè)出版社,1994:21.