游梁式抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)綜合節(jié)能的理論及途徑

1、! 專題研究 #游梁式抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)綜合節(jié)能的理論及途徑 戴廣平 (北京燕山石油化工公司高新電氣公司 劉曉芳 崔學(xué)深 沈金波 張建華 羅應(yīng)立(華北電力大學(xué) 摘要 在考慮感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等效電路參數(shù)非線性的基礎(chǔ)上 ,無(wú)功綜合節(jié)能的機(jī)理和途徑 。 ,電壓之間的關(guān)系 。 進(jìn)而通過(guò)磁路分析 , , 以及 鐵耗 、 、 電容 器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償節(jié)能 2, 并以可控硅自動(dòng)投切電容器 為實(shí)例 , 關(guān)鍵詞 游梁式抽油機(jī) 感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 非線性關(guān)系 節(jié)能抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的綜合節(jié)能關(guān)于抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況及節(jié)能機(jī)理 , 在 以往文獻(xiàn)中已有較多論述 , 從不同的角度提出了諸 如超高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)節(jié)能 、晶閘管調(diào)壓節(jié)能 、星 2角動(dòng)態(tài)切換節(jié)

2、能以及變頻調(diào)速節(jié)能等大量節(jié)能途 徑 16, 取得了一定的成果 。為了進(jìn)一步提高游梁式抽油機(jī)節(jié)能效果 , 為探 尋新的節(jié)能途徑提供理論依據(jù) , 并找出在實(shí)際生產(chǎn) 中可以推廣應(yīng)用的措施 , 筆者在考慮感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等 效電路參數(shù)非線性的基礎(chǔ)上 , 研究游梁式抽油機(jī)電 動(dòng)機(jī)有功及無(wú)功綜合節(jié)能的機(jī)理和途徑 。 首先研究 在不同工況下感應(yīng)電勢(shì)與端電壓之間的關(guān)系 ; 進(jìn)而 通過(guò)磁路分析 , 研究了等效電路參數(shù)與感應(yīng)電勢(shì)之 間的非線性關(guān)系 ; 最后在計(jì)及參數(shù)非線性的基礎(chǔ) 上 , 分析了幾種節(jié)能途徑 , 重點(diǎn)介紹了在電動(dòng)機(jī)的 出線端通過(guò)可控硅自動(dòng)投切電容器 , 不但可以節(jié)省 無(wú)功功率 , 而且可以減少轉(zhuǎn)子損耗及增

3、加發(fā)電機(jī)工 況所發(fā)出的有功功率 。 從而達(dá)到節(jié)省無(wú)功功率和節(jié) 省有功功率雙重的效果 。抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)激磁電勢(shì)的變化范圍11電氣原理圖圖 1是抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)及其供電回路的典型電氣 原理圖 。圖中 R e 和 X e 代表線路阻抗 , R 1、 R 2、 X 1、 X 2、 R m 、 X m 代表感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的參數(shù) , 可變 電容 C 代表用低壓 TSC 實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電容器 。 圖中參數(shù)的典型數(shù)值為 R 1=0115; X 1=016; R 2=016; X 2=016; R m =515; X m =16; C =200F ; 電動(dòng)機(jī)額定容量 P2=45kW 。圖 1 抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)典型電氣原理圖2

4、1無(wú)補(bǔ)償電容時(shí)相量圖及激磁電勢(shì)(1 假設(shè)激磁電勢(shì)相同時(shí)的相量圖 圖 2a 、 b 與 c 分別代表無(wú)電容器補(bǔ)償時(shí)電動(dòng)機(jī)工況 、發(fā)電機(jī) 工況及 (有功 零輸入狀態(tài)的典型電壓相量圖 。 為便于比較 , 圖 2中的電壓相量圖是在假定 3 72004年 第 32卷 第 2期石 油 機(jī) 械CHINA PETROL EUM MACHIN ER Y戴廣平 , 高級(jí)工程師 , 生于 1945年 , 1970年畢業(yè)于清華大學(xué)水電工程系 , 現(xiàn)從事電氣控制和節(jié)能技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)工作。地址 : (100070 北京市房山區(qū)。 電話 :(010 83681356。(收稿日期 :2003-04-24; 修改稿收到日期 :

5、2003-08-22個(gè)工況下激磁電勢(shì)相等的前提下得到的 。其中圖2a 與 b 則進(jìn)一步假定 2種工況下轉(zhuǎn)差率的絕對(duì)值 相等 。因?yàn)榧俣ご烹妱?shì)相等 , 所以在 3種工況下 , 勵(lì)磁電流的有功分量是相等的 , 無(wú)功分量也是相等 的 ; 因?yàn)榘l(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)工況轉(zhuǎn)差率的絕對(duì)值相等 , 所以轉(zhuǎn)子回路電阻相等 , 對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流的大小相 等。 又因?yàn)樵陔妱?dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)工況轉(zhuǎn)子支路電流的 有功分量相位相反 (圖 2a 、 b , 所以 , 在這 2種工 況下定子電流互不相等 , 定子端電壓也不相等。圖 2 無(wú)補(bǔ)償電容時(shí)的典型相量圖從圖 2c 可以看出 , 定子電流和端電壓相量之間的夾角可以達(dá)到 90

6、6;, 所以 , 在該工況下電網(wǎng)向 電動(dòng)機(jī)輸入的有功功率為零 , 僅提供無(wú)功功率 。 這 就是有功功率的零輸入工況 。 顯然 , 此時(shí)電動(dòng)機(jī)本 身的定子銅耗與鐵耗仍然存在 , 它們由轉(zhuǎn)子支路提 供 。 可見(jiàn) , 在電動(dòng)機(jī)的損耗不能忽略的情況下 , 有 功零輸入工況并非傳統(tǒng)意義上的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速 的理想空載工況 , 而是異步發(fā)電機(jī)工況 , 其轉(zhuǎn)速高 于同步轉(zhuǎn)速 。(2 端電壓相同時(shí)的電壓相量圖 在假設(shè)端電 壓不變的情況下 , 在從電動(dòng)機(jī)重載工況逐步過(guò)渡到 發(fā)電機(jī)重載工況時(shí) , 可得到圖 3所示的示意性電壓 相量圖 。顯然 , 發(fā)電機(jī)工況下的激磁電勢(shì) (圖中 E 1, 4 明顯大于電動(dòng)機(jī)工況的值

7、 (圖中 E 1, 1 。在 發(fā)電機(jī)工況 , 激磁電勢(shì)可以略大于定子端電壓 , 而 在電動(dòng)機(jī)工況則總是明顯小于定子端電壓 。圖 3 給定端電壓時(shí)的近似電壓相量圖(3 激磁電勢(shì)與電源電壓的關(guān)系 圖 3所反映的激磁電勢(shì)與端電壓之間的關(guān)系 , 同樣可以用來(lái)描 述激磁電勢(shì)與電源電壓 (注 :指線路電壓 , 即變壓 器副邊電壓 , 以下同 之間的關(guān)系。 用電機(jī)學(xué)中常 用的電壓變化率的公式可以說(shuō)明這種關(guān)系 , 即U =I (R cos <+X sin < (1 式中 , U =(U L -E 1 /U L 是電壓變化率 ,而 I 、 R 與 X 分別是電流 、 定子及線路電阻與電抗的標(biāo)幺值 。

8、在電動(dòng)機(jī)工況下由于 cos <與 sin <均為正值 , 所以 U 恒為正 。 , 由于 cos <為負(fù) , , b 、 c 分別代表有補(bǔ)償電容器時(shí) 3種工 況下的典型相量圖 。 現(xiàn)在進(jìn)一步分析激磁電勢(shì)與電 源電壓的關(guān)系 。圖 4 有補(bǔ)償電容時(shí)的典型相量圖首先分析激磁電勢(shì) E 1與端電壓 U 1之間的關(guān) 系 。 將圖 1與圖 2、 圖 4對(duì)比 可以看出 , 無(wú)論補(bǔ)償 電容是否存在 , 激磁電勢(shì)與電動(dòng)機(jī)線端電壓之間的 關(guān)系是不變的 :在不同工況下 , 激磁電勢(shì)可以大于或小于定子端電壓 。再分析電動(dòng)機(jī)端電壓 U 1與電源電壓 U L 的關(guān) 系 。 為此 , 只需將公式 (1 中的

9、 I 、 R 與 X 分別用 I L 、 R L 與 X L 代替即可 。顯然 , 當(dāng)容抗相對(duì)于感抗為不同數(shù)值時(shí) , 在不同工況下 , U 1有可能大于 、 8 石 油 機(jī) 械 2004年 第 32卷 第 2期小于或等于 U L 。圖 4a 、 b 、 c 是對(duì)應(yīng)相量圖的實(shí) 例 。 顯然 , 從定性分析的角度可以看出 , 對(duì)于抽油 機(jī)的不同運(yùn)行工況及不同大小的補(bǔ)償電容 , 電動(dòng)機(jī) 的激磁電勢(shì)既可以小于電源電壓 , 也可以大于電源 電壓 。41激磁電勢(shì)變化范圍的數(shù)值算例圖 5表示某 45kW 實(shí)例抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)激磁電勢(shì)隨工況變化的情況 。 該電動(dòng)機(jī)在重載時(shí)的轉(zhuǎn)差率 S 接近 0108, 發(fā)電機(jī)重載

10、時(shí)接近 -0104。圖 5是 在假定電源電壓為 400V 無(wú)補(bǔ)償電容的情況下得到 的 。 顯然 , 激磁電勢(shì)變化范圍很大 。圖 5 不同工況下的激磁電勢(shì) (電源電壓 400V 考慮非線性時(shí)的能量傳輸及損耗11不同激磁電勢(shì)下電路參數(shù)的變化當(dāng)激磁電勢(shì)變化時(shí) , 隨著飽和情況的變化 , 電路的參數(shù) R m 、 X m 會(huì)發(fā)生明顯變化 。 表 1是根據(jù)電 動(dòng)機(jī)的磁化曲線通過(guò)詳細(xì)的磁路分析得到的圖 1中 的 R m 、 X m 與激磁電勢(shì)之間的非線性關(guān)系 。可以 看出 , 激磁電勢(shì)增大時(shí) , R m 、 X m 明顯減小 , 這就 是電動(dòng)機(jī)參數(shù)的非線性現(xiàn)象 。表 1 不同激磁電勢(shì)下的參數(shù)E /VX m

11、/R m 21鐵耗及無(wú)功功率考慮到Q m =2X m(2 P Fe =2R m(3 可以看出 , 激磁電勢(shì)的增大與相應(yīng)的 R m 、X m 的減小都使無(wú)功消耗 Q m 及鐵耗 P Fe 隨電勢(shì)增大 而急劇地增大 。這說(shuō)明發(fā)電機(jī)工況下的鐵耗及無(wú)功功率將會(huì)十分顯著地大于電動(dòng)機(jī)工況的相應(yīng)數(shù)值 。以上述 45kW 電動(dòng)機(jī)為例 , 表 2列出不同激磁電勢(shì)下的無(wú)功 功率 。 可以看出 , 在這個(gè)算例中 , 在發(fā)電機(jī)重載工 況所需無(wú)功功率 (3017kvar 接近電動(dòng)機(jī)重載工 況所需無(wú)功功率 (1619kvar 的 2倍 。表 2 不同激磁電勢(shì)下的無(wú)功功率E /V 22034038

12、0420Q /kvar615161922153017 31轉(zhuǎn)差率及轉(zhuǎn)子銅耗由圖 1容易得到電磁轉(zhuǎn)矩T em =2S2 22S(4 。S =2T em ±242T 22-4R 22X 222X 22(5 其中“ +”用于發(fā)電機(jī)工況 ; “ -”用于電動(dòng) 機(jī)工況 。根據(jù)式 (5 進(jìn)行的實(shí)際計(jì)算表明 , 對(duì)于一定 大小的電磁轉(zhuǎn)矩 , 在電動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行區(qū) 間 , 當(dāng)激磁電勢(shì)較大時(shí) , 相應(yīng)的 S 則較小 ?？紤] 到轉(zhuǎn)子銅耗P Cu2=T em S(6 所以 , 當(dāng)激磁電勢(shì)較大時(shí) , 轉(zhuǎn)子銅耗較小 。抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)綜合節(jié)能的討論11調(diào)壓節(jié)能因?yàn)轵?qū)動(dòng)力矩與激磁電勢(shì)的平方成正比 , 同時(shí) 無(wú)

13、功消耗 Q m 及鐵耗 P Fe 隨電勢(shì)增大而急劇地增大 。 所以 , 比較理想的方案是 , 在一個(gè)工作循環(huán)中 , 當(dāng)載荷轉(zhuǎn)矩較大時(shí) , 則施加較大的電壓 , 而當(dāng)載荷轉(zhuǎn) 矩較小時(shí) , 則施加較小的電壓 。這里的關(guān)鍵是要合理選擇電壓的大小 , 以便使 鐵心損耗和轉(zhuǎn)子銅耗總體上最小 。 這是因?yàn)?, 對(duì)于一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩而言 , 施加較高的電壓 , 則轉(zhuǎn)子銅 耗小 , 但與此同時(shí)鐵耗卻會(huì)相應(yīng)地增大 , 反之 , 鐵 耗小 , 但轉(zhuǎn)差率大 , 則轉(zhuǎn)子銅耗大 。21電容器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償節(jié)能(1 電容器動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)谋匾?考慮到在電源電壓一定的情況下 , 不同運(yùn)行工況 、 不同負(fù)載 下的激磁電勢(shì)會(huì)有明顯差別

14、 , 而激化支路所需的無(wú) 功又隨激磁電勢(shì)的增大而急劇增大 , 所以 , 為在不9 2004年 第 32卷 第 2期 戴廣平等 :游梁式抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)綜合節(jié)能的理論及途徑 同運(yùn)行工況 、 不同負(fù)載下有效補(bǔ)償無(wú)功 , 采用電容器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償是很有必要的 。(2 采用電容器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后節(jié)能機(jī)理 采用電 容器補(bǔ)償后 , 電動(dòng)機(jī)的無(wú)功實(shí)現(xiàn)了就地平衡 , 不需 要饋電線路傳輸無(wú)功功率 , 可以使線路損耗大大減 少 。 在饋 電 線 路 較 長(zhǎng) 的 情 況 下 , 節(jié) 能 效 果 尤 為 顯著 。除了減少線路消耗之外 , 并聯(lián)電容后使線路壓 降減小 , 從而使激磁電勢(shì)增大 , 也可帶來(lái)節(jié)能效 果 。 這是因?yàn)樵谝欢?/p>

15、負(fù)載轉(zhuǎn)矩下 , 激磁電勢(shì)增大 , 使轉(zhuǎn)差率變小 , 從而降低了轉(zhuǎn)子銅耗 。 雖然激磁電 勢(shì)的增加使鐵耗有所增加 , 但是 , 大量計(jì)算表明 , 總的效果是轉(zhuǎn)子銅耗降低更明顯 , 從而帶來(lái)節(jié)能效 果 。 這種節(jié)能效果使電動(dòng)機(jī)工況輸入功率減小 , 而 發(fā)電機(jī)工況發(fā)出的功率增大 。31采用星 2采用星 26星形與三角形接法時(shí) , 在計(jì)及非線性的情況下 , 電 動(dòng)機(jī)總損耗隨負(fù)載變化情況 。圖 6 星 2三角接法總損耗與輸出功率的關(guān)系圖 6中的實(shí)線代表星形接法 , 虛線代表三角形 接法 。 可以看出 , 兩曲線的交點(diǎn)可作為初步選擇的 切換點(diǎn) 。 在交點(diǎn)右側(cè) , 為大功率區(qū)域 , 如果采用星 接 , 則轉(zhuǎn)

16、差率及轉(zhuǎn)子銅耗隨負(fù)載增加而迅速增大 , 使總損耗顯著超過(guò)角接的總損耗 。 所以 , 交點(diǎn)的右 側(cè)宜采用角接 。 左側(cè)為小功率區(qū)域 , 無(wú)論采用那種 接法 , 轉(zhuǎn)差率及轉(zhuǎn)子銅耗都較小 , 在總損耗中 , 鐵 耗是主要的 , 而采用星接時(shí)的鐵耗小于角接鐵耗的 . , 所以 , 該區(qū)域采用星接 。 如果根據(jù)井況 , 需考 慮適當(dāng)采用高轉(zhuǎn)差率運(yùn)行 , 可以對(duì)初步選擇的結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)修正 。41電容器動(dòng)態(tài)投切的某些測(cè)試結(jié)果根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)制作的可控硅投切的無(wú)功動(dòng) 態(tài)補(bǔ)償裝置 , 在大慶油田及中原油田的多個(gè)不同類 型油井進(jìn)行了實(shí)際使用測(cè)試 。測(cè)試采用 FL U KE43進(jìn)行 。 在變壓器出線端測(cè)試結(jié)果表明

17、, 有功節(jié)電率 一般在 12%20%, 部分饋電線路長(zhǎng)的油井 , 節(jié) 電率達(dá)到 20%30%。在電動(dòng)機(jī)出線端測(cè)得的有 功節(jié)電率一般在 3%6%。結(jié) , 在游梁式抽油進(jìn)一步研究了等效電路參數(shù)與 , 說(shuō)明電動(dòng)機(jī)參數(shù)存在不容忽 視的非線性現(xiàn)象 。(2 在考慮參數(shù)非線性時(shí) , 發(fā)電機(jī)工況的無(wú)功 與鐵耗顯著大于電動(dòng)機(jī)工況的對(duì)應(yīng)數(shù)值 。(3 在考慮參數(shù)非線性的條件下 , 研究了電容 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)确桨傅木C合節(jié)能機(jī)理 。 采用可控硅動(dòng)態(tài) 投切電容器 , 不但可以顯著減小各種工況下的無(wú)功 消耗 , 而且可以在重載及發(fā)電機(jī)工況顯著減小轉(zhuǎn)子 銅耗 , 從而獲得綜合節(jié)能效果 。參 考 文 獻(xiàn)1 項(xiàng)復(fù)興 1大轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)

18、在抽油機(jī)上的應(yīng)用 1石油機(jī)械 , 1986, 14(4 :29372 劉滬雄 1有桿泵抽油系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)節(jié)能途徑 1石油機(jī)械 , 1992, 20(5 :27293 王愛(ài)霞 , 朱傳琴 , 閆敬東等 1電動(dòng)機(jī) -Y 切換技術(shù)及在抽油機(jī)上的應(yīng)用 1電工技術(shù)雜志 , 2000, (34 Guffey C G , Rogers J D 1Field Testing of Variable -SpeedBeam -Pump Computer Control , 1991SPE5 龔元明 , 蕭德云 , 胡郁樂(lè)等 1抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1石油機(jī)械 , 2001, 29(1 :2526, 316

19、 白連平 , 馬文忠 , 楊 艷等 1關(guān)于游梁式抽油機(jī)用電動(dòng)機(jī)節(jié)能的討論 1石油機(jī)械 , 1999, 27(3 :4144(本文編輯 李學(xué)富 科 學(xué) 開(kāi) 發(fā) 石 油 資 源 , 創(chuàng) 造 綠 色 動(dòng) 力 世 界 01 石 油 機(jī) 械 2004年 第 32卷 第 2期ABSTRACTS OF SE L ECTED ARTICL ES Zhao Lixin (Harbin Institute of Technology , Harbin , Jiang Minghu , A. B elaidi , et al. Pressure characteristics study of hydrocyclo

20、ne with free gas in 2 jection. CPM , 2004, 32(2 :14With focus on a solid -liquid hydrocyclone , ef 2 fects of both geometric parameters and operating pa 2 rameters on pressure characteristics are studied , results of pressure when with free gas injection are obtained , and at last the energy dissipa

21、tion is analyzed. The re 2 sults show that with gas injection , the pressure drop values of both overflow and underflow increase simul 2 taneously. Pressure drop ratio (PDR decreases with the rise of flowrate when without gas , but keeps nearly constant when with gas injection. With theswirl number

22、, pressure drop 2 clines. With the rise -increases constant when with gasK ey w ords :hydrocyclone , separation characteris 2 tic ,pressure characteristic , experimental researchXing Zhixiang (College of U rban Const ruction and saf ety &Envi ronmental Engi neeri ng , N anji ng U niversity of Te

23、chnology , N anji ng , Jiang J uncheng. Experimental research of mechanical prop 2 erties of 16Mn R steel at hightemperature. CPM , 2004, 32(2 :56, 14The liquefied petroleum gas (L P G storage tanks used in China are mostly made of 16MnR steel. To study the influence of fire on the tanks , the mecha

24、nical properties of 16MnR steel at high temperature is inves 2 tigated. The law of variation of performance indexes of 16MnR steel at a temperature of less than 600 are obtained. The test data include stress -strain curve , yield strength , tensile strength , elongation and mod 2 ules of elasticity

25、, which are used for analyzing the crit 2 ical pressure of the storage tank failure. The test result shows that , the strength and elongation of 16MnR steel at high temperature decrease obviously , and its yield strength , limit strength and modules of elasticity are only 20%30%of that at normal tem

26、perature , and the elongation is 43%, while the explosion pres 2 sure of the storage tank is only 1/4of that at normal temperature.K ey w ords :high temperature , 16MnR steel , me 2 chanical property , L P G storage tank , experimental re 2 searchDai Guangping (Beiji ng Y anhua Hitech Elect ricCom p

27、any , Beiji ng , Liu Xiaofang , Cui Xueshen , et al. The theory and method of synthetic energy saving for beam pumping units. CPM , 2004, 32(2 :710 The theory and method of synthetic energy saving for beam pumping untis is investigated based on a con 2 sideration of the nonlinear parameters of the i

28、nduction motor. Firstly , the relationship between the induced electromotive force (EMF and the terminal voltage under different operation conditions is worked out with the phasor graph of the induction motor. Then , the nonlinear relationship between of equiv 2 alent by analyzing the , between the

29、iron slip is analyzed as well. the SCR switching capacitor as example , the methods for power saving of beam pumping units are presented.K ey words :beam pumping unit , induction mo 2 tor ,nonlinear relationship , power savingDong Shirnin (Mechanical Engi neeri ng College of Y anshan U niversity , Q

30、i nhuangdao City , Hebei Provi nce , Feng K e. R esearch on the mechanical causes of the rod string and tubing w ear of rod -pumped w ells in w ater controlledf ields. CPM , 2004, 32(2 :1114The mechanical model of the rod string and tubing wear of rod -pumped wells is established. The calcu 2 lating formula of critical axial load of rod stringand tubing wear is presented ,and the simulating