抽油机井节能电动机现场测试和效果分析*

辛宏 李楼楼 杨海涛 张磊 刘涛 韩二涛

（1.低渗透油气藏国家工程实验室；2.长庆油田分公司油气工艺研究院）

抽油机井节能电动机现场测试和效果分析*

辛宏1，2李楼楼1，2杨海涛1，2张磊1，2刘涛1，2韩二涛1，2

（1.低渗透油气藏国家工程实验室；2.长庆油田分公司油气工艺研究院）

为了提高抽油机井拖动电动机效率，长庆油田引进了多种节能电动机，如双功率电动机、交流永磁伺服电动机、三相异步电动机+变频、绕线式转子变频电动机、开关磁阻电动机等，但各种电动机之间缺乏综合性能比较，为此在机采节能技术评价系统上开展了六种电动机空载、带载启动、不同平衡状态下节能性能对比试验。结果显示，与三相异步电动机相比，应用节能电动机可实现通过提高电动机效率带动系统效率提升2～3个百分点，其中开关磁阻电动机，空载损耗小、自身效率高、在平衡状态下耗电量最小，系统效率最高，更适合游梁式抽油机工况。

节能电动机；游梁式抽油机；空载损耗；负载启动特性；系统效率

游梁式抽油机承受一种带有冲击性的周期交变载荷，启动转矩大，这种负载要求导致拖动电动机功率大，抽油机正常运行时，又处于轻载状态，负载率低，电动机效率低[1]。大部分抽油机功率利用率低于25%，从而造成其运行效率低。为了提高抽油机拖动装置运行效率，要求选用的电动机具有以下特性：启动扭矩大、启动电流小；高效区间宽，而不仅仅是高效点；有短时过载能力。

目前，长庆油田抽油机在用有多种节能电动机，包括双功率电动机、交流永磁伺服电动机、三相异步电动机+变频、绕线式转子变频电动机、开关磁阻电动机，每种电动机文献上都有性能介绍，但缺乏电动机之间的综合性能比较，到底哪一种更适合长庆油田的工况，节能效果更显著，为了清楚这个问题，在机采节能技术评价系统上开展了六种电动机对比试验。

1 测试电动机原理及特点

对比测试的六种电动机均为长庆油田在电动机。如表1所示，首先介绍各种电动机的基本参数和原理特点。

1.1 开关磁阻电动机

磁阻电动机与电子开关驱动控制器组成一体的控制装置，转子是由硅钢片压制而成，结构简单，适用于高速和环境恶劣场合。启动转矩大，在宽广的转速和功率范围内均具有较高的效率。控制参数多，控制方式灵活[2]。瞬时转矩脉动较大，噪声的问题较突出。

1.2 交流永磁伺服电动机

电动机转子由稀土永磁材料和起动鼠笼组成。转子损耗比普通异步电动机小，因此电动机本身的效率比普通电动机高约 5%，功率因数能达到 0.9以上，其额定运行机械特性比普通电动机还硬。起动电流大，起动过程中，电动机转矩有振荡。稀土永磁电动机的价格比普通电动机高约1倍，并且目前稀土永磁电动机经常出现退磁现象[3]。

1.3 三相异步电动机+变频

采用变频调速控制，电动机的功率因数可提高到0.9以上，从而减轻了电网及变压器的负担，降低了线损。变频器本身有功率损耗，变频器的谐波对电网也有影响，并会使电动机附加损耗增大[4]。

1.4 绕线式转子变频电动机

由绕线式电动机、变频装置及逆变装置组成，电网接入电动机定子端，改变转子端电流频率实现电动机调速，转子端输出交流电先变换成直流电，再逆变成与电网同频同相的交流电回馈电网。具有易于控制、启动力矩大、过载能力强等特点。转子绕组和滑环，结构复杂，运行可靠性降低[5]。

表1 测试六种电动机的基本参数表

1.5 双功率电动机

双功率电动机与普通电动机的区别在于定子绕组不同，定子绕组是1个串联绕组，通过1个电流检测电路，实现绕组的自动切换。起动时可投入大功率绕组，运行时可投入小功率绕组，小功率绕组的效率和功率因数都很高，双功率电动机适合于旧电动机节能改造，其缺点是电动机的制造难度和成本增加了[6]。

2 测试评价系统

机采节能技术评价系统是依托1口生产井搭建的，该系统由信号采集系统和数据处理及评价系统两部分组成。

图1 抽油机测试点分布图

1）信号采集系统由测试点上的各种传感器和测试装置组成，即对试验井上各测试点进行信号采集，如图1所示，测试点包括控制柜输入端电参数据、控制柜输出端电参数据、电动机轴输出端扭矩和转速、动液面、示功图和油套压等参数。测试仪器：载荷位移传感器、扭矩传感器、转速传感器、回声仪、电能质量测试仪、压力计、三相四线数字式电度表，试验井基本参数见表2。

表2 试验井基础参数

2）数据处理评价系统主要功能可实现系统参数控制、计算电功率参数、变频下谐波参数、电动机输出功率、泵功图诊断及各节点效率和经济运行评价。测试依据SY/T 5264—2012《油田生产系统能耗测试和计算方法》、GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》、GB/T 10069.3—2006《旋转电动机噪声测定方法及限值》。

3 测试内容

试验井在相同工作制度下，即冲速4 min-1、冲程2.5 m保持不变，分别开展六种电动机的空载、负载启动、三种平衡状态下能耗等对比测试。

3.1 空载损耗

相同功率等级下，测试六种电动机空载时控制器输入电流（表3），三相异步电动机和双功率电动机不能调速，只测试额定转速下空载有功功率，其余四种电动机分别测试了在不同转速下有功功率值，对比可见开关磁阻电动机的空载损耗小、自身效率高。

表3 不同系统空载有功功率测试对比

表4 最大启动电流对比

表5 三种平衡状态下六种电动机节能评价

3.2 负载启动特性

对比最大启动电流值（表4），交流永磁伺服电动机、绕线式转子变频电动机和三相异步电动机+变频最大启动电流值较小，原因是其具有软起动功能，对设备冲击小，满足抽油机带载启动要求。

3.3 六种电动机节能评价

三种平衡状态是以三相异步电动机运转时测试确定，并记录好曲柄块位置，更换其它类型电动机后，通过调整曲柄块位置对平衡状态进行调整。由于油井属于间歇出液，应用系统效率测试仪测试的有功功率存在一定波动，根据SY/T 5264—2012《油田生产系统能耗测试和计算方法》，这里计算机采系统效率所用数据为电表连续测试24 h反算的有功功率值。有效功率计算公式中的产液量应用的是功图计量系统计算的日产液量。

从表5可见，开关磁阻电动机、交流永磁伺服电动机、绕线式转子变频电动机三种电动机与三相异步电动机相比，百米吨液耗电量均有较大幅度的降低。平衡状态下，开关磁阻电动机百米吨液耗电量最小，系统效率最高。绕线式转子变频电动机，具有电能回馈系统，在欠平衡和过平衡状态下，百米吨液耗电量最小，系统效率最高。

4 结论

1）与三相异步电动机相比，应用节能电动机可实现通过提高电动机效率带动系统效率提升的目的。在选择节能电动机时，除节电效果外，还需考量电动机全生命周期费用。

2）开关磁阻电动机，空载损耗小、自身效率高。平衡状态下百米吨液耗电量最小，系统效率最高，相比较更适合游梁式抽油机工况，但需要增加软启动功能。

3）绕线式转子变频电动机，具有电能回馈系统，在欠平衡和过平衡状态下，百米吨液耗电量最小，系统效率最高。

4）三相异步电动机+变频通过改变冲速省电，在相同冲速下比较时有功功率最高，最耗电。

[1]甘庆明.开关磁阻电动机在采油设备中的应用探讨[J].石油机械，2009，37（4）：70-72.

[2]张志学.开关磁阻电动机在节能长冲程抽油机的应用[J].石油矿场机械，2009，38（8）：75-78.

[3]郭勤良，王钊，王群章，等.稀土永磁同步电动机在抽油机上的应用分析[J].石油矿场机械，2005，34（2）：54-56.

[4]刘慧芬.变频调速技术在游梁式抽油机中的应用[J].石油矿场机械，2004，33（5）：77-79.

[5]何先君，常彦荣，刘铁，等.游梁式抽油机“一拖多”转子变频调速技术的试验应用[J].石油石化节能，2014，12（3）：23-24.

[6]张波.抽油机双功率电动机在安塞油田应用的节能分析[J].石油工业技术监督，2012（6）：55-60.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.01.010

2016-08-29

（编辑 沙力妮）

辛宏，工程师，2008年毕业于中国石油大学（北京），从事采油工艺技术、油田数字化建设、水平井采油技术方面的研究工作，E-mail:xinh_cq@petrochina.com.cn，地址：陕西省西安市未央区明光路长庆油田新技术研发中心油气工艺研究院采油一室，710021。

国家科技重大专项“长庆姬塬油田特低渗透油藏综合利用示范基地”项目编号：1301-4-3。