油田抽油機節(jié)能方式綜述及解決方案

1、油田抽油機節(jié)能方式綜述及解決方案摘要：目前，抽油機是應(yīng)用最普遍的石油開采機械之一，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。油田抽油機負載是獨具特點的時變負載：有動、靜負載特性之分。起動初始狀態(tài)要求拖動電機的起動力矩是抽油機實際負載的34倍，甚至更大 關(guān)鍵詞：抽油機 節(jié)能方式 優(yōu)缺點 1 概述目前，抽油機是應(yīng)用最普遍的石油開采機械之一，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。油田抽油機負載是獨具特點的時變負載：有動、靜負載特性之分。起動初始狀態(tài)要求拖動電機的起動力矩是抽油機實際負載的34倍，甚至更大，

2、起動力矩是抽油機選配電機的第一要素。當起動力矩適用則負載功率必然匹配不佳，運行負載功率都遠小于電機的額定功率，即所謂“大馬拉小車”現(xiàn)象。過剩的抽油能力令抽油機的無功抽取時間增加，造成油井開采的電費成本居高不下，能源浪費十分嚴重?？梢姵橛蜋C的節(jié)能潛力非常可觀。2 各種節(jié)能方式的優(yōu)缺點目前直接針對抽油機節(jié)電的技術(shù)主要有兩大類：1） 開發(fā)不同類型的抽油機節(jié)能電機。如高轉(zhuǎn)差率電機、三相永磁同步電機、高起動轉(zhuǎn)矩雙定子結(jié)構(gòu)電機和電磁調(diào)速電機（變極雙速電機）等。2） 使用節(jié)能配電箱。如定子繞組Y-轉(zhuǎn)換調(diào)壓、電容器動態(tài)無功補償及靜態(tài)無功補償、可控硅調(diào)壓（軟起動）、液態(tài)電阻軟起動、變頻電源等2.1抽油機節(jié)能電機

3、1） 超高轉(zhuǎn)差率電機據(jù)稱在美國油井上已安裝幾萬臺，節(jié)電率達20。但在我國實測結(jié)果是超高轉(zhuǎn)差電機只在輕載30以下負載時有節(jié)電效果。主要原因：首先要使用超高轉(zhuǎn)差率電機節(jié)電，對象必須是振動載荷大的井（美國油井的振動載荷慣性載荷都大）。其次要求電機的轉(zhuǎn)差率要適度，不可過高，一般說各大油田，電機轉(zhuǎn)差率的最大值不能超過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荷和振動負荷，因此超高轉(zhuǎn)差率電機的應(yīng)用范圍被大大縮小。2） 永磁同步電機這是一種油田所用的新型抽油機電機，其效率和功率因素都優(yōu)于一般異步電機。電機本身是硬特性，運行中無轉(zhuǎn)差。如TYC250M-6，功率37K

4、W，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：和高轉(zhuǎn)差電機比，沒有消減振動載荷的能力，反而會增大對減速箱齒輪的沖擊損害；釹鐵硼材料本身的居里點只在120130，一旦電機燒毀就會失磁；此外轉(zhuǎn)子級數(shù)已定，不能適用調(diào)參的需要實行變極調(diào)速。3） 雙定子電機雙定子電機是一種新型的異步電機，做成兩部分定子。起動時集兩部分的合力矩以加大起動力矩，待起動完成時則切除一部，留下另一部分運行，以適應(yīng)低負荷時以低功率來匹配達到節(jié)電的目的。缺點電機的制造難度和成本增加。4） 電磁調(diào)速電機在抽油機既定的負荷條件下，通過僅改變其繞組結(jié)構(gòu)完成6/8極，8/12極的單繞組非倍極改型

5、設(shè)計，使其運行在原井抽油機上，其負荷率從2080變化，電機都運行在高效區(qū)，這種方式既適用于舊電機改造，又適用于新電機生產(chǎn)。2.2節(jié)能配電箱1) 定子繞組Y-轉(zhuǎn)換調(diào)壓電機正常運行時，定子繞組為接法，起動時為Y接法。起動時繞組電壓為電網(wǎng)額定線電壓的根號3分之一，起動電壓降低，待接近額定轉(zhuǎn)速時，定子繞組轉(zhuǎn)換為接法，控制簡單，但每次起動需要人工干預，減壓范圍一定，用途受到限制。2) 電容器動態(tài)無功補償及靜態(tài)無功補償無功補償?shù)幕驹硎前讶菪载摵膳c感性負荷并聯(lián)在同一個系統(tǒng)中,能量在兩者之間互相轉(zhuǎn)換。這樣,感性負荷所需的無功功率可由容性負荷提供,功率因數(shù)也提高了,也減小了無功損耗,還可以提高設(shè)備的有功功力

6、、降低功率損耗和電能損失。根據(jù)以上的想法,如果在高壓電動機起動時并聯(lián)適當電容值的電容器,同樣可以補償起動時的無功功率,減小起動電壓降。其工作原理是:在啟動高壓電動機時,同時將電容器投入,經(jīng)過適當?shù)臅r間,迅速退出電容器組。整個過程可理解為無功功率的就地補償,只是時間很短。電容補償起動的優(yōu)點在于起動時,電動機的端電壓不降低同樣可以減少起動電流,并且不減少起動轉(zhuǎn)矩,縮小起動時間。圖1 電容補償起動控制系統(tǒng)圖3) 可控硅調(diào)壓（軟起動）一般稱之為電機的軟起動，通過采用晶閘管調(diào)壓電路來控制電壓的大小。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現(xiàn)了定子電壓隨負載變化的連續(xù)調(diào)節(jié)，節(jié)電效果較好，但是電

7、源電流波形發(fā)生畸變，電網(wǎng)諧波污染嚴重，另外在油田的惡劣環(huán)境下，其可靠性等都受到制約。同時結(jié)構(gòu)復雜，成本較高。4) 液態(tài)電阻軟起動在起動過程中, 將可變電阻串入定子, 實現(xiàn)限流, 在起動完成后將它短接。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, 它是以犧牲起動力矩為代價的。電阻值隨著電機轉(zhuǎn)速的升高而均勻減少, 借以不斷增加起動力矩, 并為短接時不產(chǎn)生電流沖擊準備條件。其系統(tǒng)如圖3所示。圖3 液態(tài)電阻軟起動在定子回路中串入電液變阻起動器的三相電阻, 其中Q F1 為主機運行斷路器,Q S 為隔離開關(guān),Q F2 為星點短接斷路器, RS 為電液

8、變阻起動器。電液變阻器由三個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應(yīng)的導電極板, 導電極板為一動一定, 動極板組通過傳動機構(gòu)及伺服控制系統(tǒng)控制運行。起動開始后, 根據(jù)電動機起動電流的大小可自動地調(diào)整液阻值, 使整個起動過程控制在較小起動電流下均勻升速, 而液阻無級切除, 從而實現(xiàn)電動機的軟起動。優(yōu)點成本低，易于維護，工作環(huán)境要求不高；缺點：體積大，占地面積大。5) 變頻電源隨著大功率半導體器件的發(fā)展，研制具有高性能價格比的抽油機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)，實現(xiàn)電能的雙向流動，同時具有輸入功率因素校正作用。電壓型雙SPWM變頻器主電路

9、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變頻電源實現(xiàn)了能量的雙向流動，且功率因素接近1，是抽油機類頻繁可逆、快速制動負載的最佳電源選擇，其節(jié)電效率可達15。其缺陷是設(shè)備成本較高，控制系統(tǒng)復雜，在油田的惡劣環(huán)境下工作，其可靠性防盜等都成問題。但長遠來看，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)合實際。擬訂以下解決方案。1） 研制和生產(chǎn)節(jié)能型抽油機專用電機針對油田情況，設(shè)計和生產(chǎn)油田抽油機專用特種電機：抽油機用永磁同步電機，電磁調(diào)速電機和雙定子電機可以在很短的時間內(nèi)，得到相關(guān)產(chǎn)品，并推向市場。2） 研制和生產(chǎn)液態(tài)電阻軟起動系統(tǒng)液態(tài)軟起動技術(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，維修簡單。容易為廣大的油田用戶所接受。場地問題在油田不是很突出，以此為相關(guān)電機的起動解決方案，結(jié)合特殊設(shè)計的油田抽油機電機，可以較快的贏得市場和客戶。3） 研究和試推廣雙SPWM變頻系統(tǒng)此項系統(tǒng)是較為先進的技術(shù)，其工業(yè)化和市場化的時間較長，但其無疑代表了油田抽油系統(tǒng)未來的發(fā)展方向，目前看來，由于成