杜 業(yè)，于紅業(yè)，葛利俊

（渤海石油裝備（天津）新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

根據(jù)中石油有關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，油田采油系統(tǒng)的年均耗電量超過(guò)20 億度，能耗巨大。為進(jìn)一步推動(dòng)節(jié)能降耗，工業(yè)和信息化部相繼制定并頒布了3 個(gè)批次的高耗能落后機(jī)電設(shè)備（產(chǎn)品）淘汰目錄。其中第三批目錄規(guī)定在2015 底前，將低壓電機(jī)中的Y、Y2、Y3、YB、YB2 予以明確淘汰。國(guó)家質(zhì)檢總局也頒布了電機(jī)能效提升計(jì)劃，大力推廣應(yīng)用高效電機(jī)。游梁式抽油機(jī)（以下簡(jiǎn)稱抽油機(jī)）與電機(jī)所組成系統(tǒng)的節(jié)能，應(yīng)包含3 個(gè)方面：①提升電機(jī)效率，降低自身能耗；②提升系統(tǒng)效率，使系統(tǒng)內(nèi)各部分合理匹配，避免大馬拉小車(chē)現(xiàn)象，使整體效率最佳；③提升系統(tǒng)可靠性，延長(zhǎng)使用壽命，降低全壽命周期成本。

1 抽油機(jī)及電機(jī)的特性

抽油機(jī)負(fù)載為一條波動(dòng)性近似正弦曲線。電機(jī)需要承受周期性交變負(fù)荷，往往還伴有劇烈的沖擊負(fù)荷。這一負(fù)載特性要求電機(jī)在選擇容量時(shí)留有足夠余量，保證帶載啟動(dòng)時(shí)，能克服抽油機(jī)較大的慣性扭矩，滿足啟動(dòng)要求。同時(shí)又要求電機(jī)運(yùn)行時(shí)要有足夠的過(guò)載能力，以克服交變載荷的最大扭矩。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)負(fù)荷率大部分為20%～40%。電機(jī)的平均負(fù)荷率低，存在著嚴(yán)重的“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象，造成電機(jī)效率和功率因數(shù)的降低。在抽油機(jī)系統(tǒng)中，電機(jī)機(jī)械特性的軟硬程度是評(píng)價(jià)電機(jī)性能的重要依據(jù)之一，它將直接影響抽油機(jī)系統(tǒng)機(jī)、桿、泵的受力狀態(tài)和使用壽命。

目前，油田應(yīng)用電機(jī)類型主要有超高效異步電機(jī)、高轉(zhuǎn)差率電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。

1.1 超高效異步電機(jī)

相對(duì)于普通異步電機(jī)，超高效電機(jī)通過(guò)優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)和降低轉(zhuǎn)子阻值，降低銅損；采用高導(dǎo)磁硅鋼片等優(yōu)質(zhì)材料，降低鐵損；通過(guò)改進(jìn)軸承、風(fēng)扇和風(fēng)罩，降低機(jī)械損耗?？傮w上提高了電機(jī)性能和效率。在配合變頻器使用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，軟啟停減緩了對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械沖擊，可以實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)沖。實(shí)驗(yàn)證明，變頻器可以提升抽油機(jī)低負(fù)荷區(qū)（＜30%）運(yùn)行的效率，但也會(huì)降低中高負(fù)荷區(qū)運(yùn)行的效率。

1.2 高轉(zhuǎn)差率電機(jī)

按照SY/T 5226—2019《抽油節(jié)能拖動(dòng)裝置》的規(guī)定，高轉(zhuǎn)差率電機(jī)的轉(zhuǎn)差率范圍為5.6%～8.4%[1]。由電機(jī)學(xué)知識(shí)可知，增大轉(zhuǎn)子電阻會(huì)提升電機(jī)啟動(dòng)性能。這很好地解決了大馬拉小車(chē)問(wèn)題，可以用較小容量取代較大容量的普通電機(jī)，減少裝機(jī)損耗。但同時(shí)轉(zhuǎn)子阻值加大也會(huì)增加轉(zhuǎn)子銅損，降低電機(jī)效率。雖然高轉(zhuǎn)差率電機(jī)犧牲了部分效率，但是換取得到的軟特性更適合于抽油機(jī)等傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大的交變沖擊負(fù)載。這種特點(diǎn)使得抽油機(jī)系統(tǒng)負(fù)荷得到很大改善，獲得良好綜合效益。高轉(zhuǎn)差率電機(jī)具有適合交變載荷的軟特性，在中高沖次運(yùn)行時(shí)具有較好的降載效果，啟動(dòng)性能優(yōu)于低轉(zhuǎn)差率電機(jī)[2]。

1.3 永磁同步電機(jī)

永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子安裝有永磁體，按布置位置的不同，可分為內(nèi)嵌式和表貼式。由于無(wú)需電流勵(lì)磁，可以在較大功率范圍內(nèi)保持較高的運(yùn)行效率和功率因數(shù)，且高效區(qū)間寬。這種電機(jī)通常做成12 極和16 極低速電機(jī)，用在供液不足的油井，使抽油機(jī)工作在2 沖次左右。在不影響產(chǎn)量的前提下，可大幅度降低電耗。近些年，半直驅(qū)型低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)開(kāi)始應(yīng)用，它直接安裝在減速箱的輸入軸上，省掉皮帶傳動(dòng)，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)效率。永磁同步電機(jī)多采用變頻器驅(qū)動(dòng)，也有的在轉(zhuǎn)子上加裝鼠籠繞組，內(nèi)嵌磁鋼，做成異步啟動(dòng)型永磁電機(jī)，直接采用工頻供電，更加節(jié)能。

1.4 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)

根據(jù)磁阻最小原理，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)采取逐相導(dǎo)通的工作方式。定、轉(zhuǎn)子均為雙凸極結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。定子采用內(nèi)集中繞組，轉(zhuǎn)子無(wú)繞組?，F(xiàn)場(chǎng)常采用三相12/8 結(jié)構(gòu)形式。由于電機(jī)無(wú)轉(zhuǎn)子繞組，因此不存在轉(zhuǎn)子銅損，效率高、節(jié)能效果好。這種電機(jī)多用在需頻繁正反轉(zhuǎn)換的塔架式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)。

2 電機(jī)應(yīng)用特性

根據(jù)抽油機(jī)系統(tǒng)節(jié)能要求，從電機(jī)能耗、合理匹配和可靠性等方面，分析它們?cè)诔橛蜋C(jī)的應(yīng)用特性。

2.1 電機(jī)能耗

永磁同步電機(jī)在整個(gè)范圍內(nèi)的效率都較高，在低負(fù)荷（10%～20%），效率在80%以上。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)次之，整體運(yùn)行效率比永磁同步電機(jī)低約5%；超高效異步電機(jī)在中高負(fù)荷區(qū)（30%～80%），效率略低于開(kāi)關(guān)磁阻1%。高轉(zhuǎn)差率電機(jī)效率在中高負(fù)荷區(qū)最低，但在低負(fù)荷區(qū)（10%～30%），由于高轉(zhuǎn)差率電機(jī)有3 種轉(zhuǎn)矩輸出，在實(shí)際應(yīng)用中，配合轉(zhuǎn)矩自動(dòng)變換控制柜實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變換，使系統(tǒng)的輸出與負(fù)載實(shí)現(xiàn)合理匹配，比超高效異步電機(jī)平均效率要高約10%。

2.2 合理匹配

電機(jī)的機(jī)械特性描述了轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系，其機(jī)械硬度的軟硬情況將直接影響抽油機(jī)系統(tǒng)機(jī)、桿、泵的受力狀態(tài)和使用壽命，這是評(píng)價(jià)電機(jī)性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。

永磁同步電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的機(jī)械特性是一條平行于橫軸的直線，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，電機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速保持不變，運(yùn)行中無(wú)轉(zhuǎn)差，機(jī)械特性非常硬。它沒(méi)有消減振動(dòng)載荷的能力，增大了對(duì)減速箱齒輪的沖擊，加劇抽油機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)柔性匹配。在使用過(guò)程中有皮帶拉斷，甚至抽油桿斷脫的現(xiàn)象。

超高效電機(jī)由于降低轉(zhuǎn)子阻值，轉(zhuǎn)差率在2%以下，機(jī)械特性比普通Y 系列電機(jī)還硬，不利于系統(tǒng)的柔性匹配。在應(yīng)用變頻器改變頻率后，機(jī)械特性的運(yùn)行段基本相互平行，硬度基本保持不變。隨著頻率下降，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩減小，帶載能力隨之下降。

高轉(zhuǎn)差率電機(jī)的機(jī)械特性較軟，可以對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生一系列作用，有利于減小乃至消除倒發(fā)電；有利于使劇烈變化的扭矩曲線趨向平緩，降低減速箱損壞率；有利于改善機(jī)桿泵的受力狀態(tài)，減小懸點(diǎn)動(dòng)載荷，降低抽油桿的最大應(yīng)力和應(yīng)力變化范圍，達(dá)到柔性匹配。

2.3 可靠性

不同類型的電機(jī)應(yīng)具備良好的適用性，能夠滿足油田現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)酷工況要求，同時(shí)還要便于就地維修。

超高效電機(jī)和高轉(zhuǎn)差率電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以沒(méi)有控制環(huán)節(jié)直接接入電網(wǎng)運(yùn)行，維修方便、可靠性最高。這是油田應(yīng)用最廣泛的原因之一。

永磁同步電機(jī)在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)、劇烈振動(dòng)和長(zhǎng)期高溫運(yùn)行時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生不可逆退磁，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩降低，不能平穩(wěn)啟動(dòng)抽油機(jī)。另外，轉(zhuǎn)子充磁需要找專業(yè)廠家，維護(hù)費(fèi)用較高。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但不能獨(dú)立工作，必須配合控制器才能工作，運(yùn)行時(shí)還需要位置檢測(cè)器反饋電機(jī)位置。這削弱了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，降低了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

3 結(jié)束語(yǔ)

用戶可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況和抽油機(jī)類型，選擇適合的電機(jī)?？傮w上，應(yīng)采取系統(tǒng)考慮、綜合效益、切合實(shí)際和因地制宜的原則；管理上應(yīng)做到精細(xì)管理，合理匹配，才能達(dá)到最佳匹配，使抽油機(jī)系統(tǒng)節(jié)能效果達(dá)到最大化。未來(lái)，伴隨著科技進(jìn)步，無(wú)鐵芯、高功率密度、高效率的新型電機(jī)和重載慢提，輕載快提類似軟特性的控制方式，必將給抽油機(jī)系統(tǒng)帶來(lái)革命性的巨變。