油田抽油机井节能电动机适应性研究及应用

李丹丹 岳宇 刘聪 张杰 张晓菡 王莉

（1.胜利油田技术检测中心；2.胜利油田检测评价研究有限公司）

机采系统耗电约占油田主要生产耗能系统耗电量的57%，是油田节能改造的重点，而电动机是该系统最重要的耗能节点，目前油田用节能电动机类型多，且节能原理各不相同，相同类型的节能电动机在不同抽油机井运行工况下的节电效果往往差异较大[1-3]。由于没有把实验室和现场应用结合起来研究，无法确定何种工况选用何种电动机，目前新井投产安装电动机或电动机更换是以电动机的启动转矩为主要依据，能满足油井的启动即可，但对于运行过程中是否节能缺乏考量。针对以上问题，进行油田抽油机用节能电动机适应性研究，并进行现场试验，为油田抽油机井匹配适宜节能电动机提供技术支撑[4-5]。

1 节能电动机特性研究

目前油田抽油机井用电动机种类较多，有普通Y（Y2、Y3）系列异步电动机、YE3 高效电动机、多功率电动机、永磁电动机、高转差率电动机、磁阻电动机、调速电动机、齿轮减速电动机、抽油机用直线电动机等等，结合各类型电动机的电器特性及优缺点，以及针对油井生产的特殊工况及现场应用效果，初步选用永磁同步电动机、YE3 高效电动机、双功率电动机、高转差率电动机四类节能电动机进行适应性研究，对以上四类电动机采用自主研发的抽油机交变载荷实验装置对其空载、负载、堵转进行了实验室测试，电动机空载实验见图1，四类节能电动机空载损耗见图2[6-9]。

图1 实验室电动机空载实验

图2 四类节能电动机空载损耗

1.1 电动机空载实验

空载实验是对电动机性能进行定性分析的重要方式，通过实验，四类节能电动机运转较灵活、没有较强振动和异常噪声，永磁电动机空载损耗较其他电动机高，通过对比空载损耗的分布情况可以发现，永磁电动机损耗平均为0.35 kW，但是机械损耗高达1.06 kW，机械损耗的影响主要来自于所采用的轴承、润滑等因素，可以通过改进制造工艺来降低其空载损耗，其它三类节能电动机空载损耗相对较低且水平相当。

1.2 电动机负载实验

电动机效率直接影响整个抽油机井系统效率，通过调整电动机功率改变电动机负载率，测试不同电动机负载率下的转矩、转速等运行参数，有功功率、无功功率、功率因数等电参数及电动机效率，电动机负载实验见图3，电动机效率测试结果见图4，从实验的结果可以看出：电动机测试效率，随着电动机负载率的增加是升高的；在各个负载永磁电动机均有最高的电动机效率及功率因数，在25%的低负载情况下依然能够保持较高的效率84.5%及功率因数0.89；其它三类电动机在相同负载情况下电动机效率差异不明显。

图3 实验室电动机负载实验

图4 电动机效率测试结果

1.3 电动机堵转实验

电动机的堵转转矩大小直接反应了电动机的启动性能，在满足正常运行功率需求前提下，堵转转矩越大就可以用越小容量的电动机替换大容量电动机，即电动机降容幅度越大，进而达到节能目的。电动机堵转实验见图5，增转倍数见图6，测试的节能电动机中堵转转矩最高的为高转差电动机，其次为永磁电动机，这两类电动机的堵转转矩要远高于YE3 高效电动机及双功率电动机，故降容幅度最大。

图5 电动机堵转实验

图6 堵转倍数

1.4 节能电动机特性总结

通过实验室测试，四类节能电动机的特性总结：一是永磁同步电动机具有功率因数高、额定效率高、低负载状态下效率高、启动性能较好的优势，但存在空载损耗较高、空载反电势不能全部达标的问题，建议将这两项作为电动机及供应商甄选的重要条件指标；二是双功率电动机具有大功率启动小功率运行、额定效率较高、空载损耗较低的优势，但存在电动机效率及功率因数较低、低负载状态下效率不高、接线繁琐的问题；三是高转差率电动机存在机械特性软、启动性能好、空载损耗较低的优势，但额定效率、功率因数不高，且电动机易发热；四是YE3 高效电动机具有效率高、运行温度低、结构简单等优势，但存在转差率较小、转速较高的问题。

2 节能电动机选型原则

根据节能电动机的特性、实验室测试验证结果，结合抽油机井运行工况，制定电动机选型原则[10]，原则上以永磁电动机和YE3 高效电动机为主，在低液量、低负载率状态下，优先选用多功率电动机，节能电动机选型原则见表1。

表1 节能电动机选型原则

3 现场应用

基于节能电动机适应性研究方法，现场共优化电动机选型1 095 台，其中永磁同步电动机613 台、高效电动机225 台、多功率电动机183 台、高转差率电动机74 台，现场应用节电效果较好，平均节电率11.2%，可实现年节电603.6×104kWh，年节约电费440.6 万元，下面以8 口典型井为例进行节电效果情况展示，现场应用效果见表2。通过应用验证，节能电动机适应性研究结论可较好的指导现场节能电动机选型，为油田抽油机井进一步节能降耗提供数据与技术双支撑。

表2 现场应用效果

4 结论与认识

1）通过对四类抽油机井节能电动机进行空载、负载、堵转实验测试，明确电动机自身属性及油井工况下的应用特性，为现场节能电动机选型优化提供数据及理论支撑。

2）制定抽油机井节能电动机选型原则，原则上以永磁电动机和YE3 高效电动机为主，在低液量、低负载率状态下，优先选用多功率电动机。

3）基于节能电动机适应性研究指导现场节能电动机选型优化，应用效果良好，共优化电动机选型1 095 台，实现年节电603.6×104kWh。