抽油機電機高耗低效探因及節能降耗措施

【皖南電機導讀】：在勝利油田等各采油廠(chǎng)，電機是原油生產(chǎn)的主要動(dòng)力，被廣泛應用在油田生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，機械采油、注水、油氣集輸三大系統的電力驅動(dòng)裝備幾乎是電機，可以說(shuō)電機是油田的主要用電設備，占總耗電量的80%。然而，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于管理技術(shù)水平等問(wèn)題，很多電機處于輕載、低效、高耗能的運行狀態(tài)，電能浪費嚴重。因此，電機節能降耗是油田節電降耗、降低開(kāi)采成本的主要探索方向。

一、電機高耗低效運行的原因

勝利油田使用電機的機采系統、輸油（氣）系統、注水系統、水泵系統，其電機的運行狀況均不樂(lè )觀(guān)，離經(jīng)濟運行有一定的差距，造成電機效率低下，能耗過(guò)大。其原因主要有以下幾個(gè)方面：

1.1老舊電機數量仍然較多

部分電機使用時(shí)間過(guò)長(cháng)，內部材料老化嚴重，有些電機的使用時(shí)間在20-30年以上；而另一部分電機制造工藝已屬落后淘汰技術(shù)，各類(lèi)技術(shù)性能參數遠差于新型電機。無(wú)論是電機過(guò)舊還是制造工藝過(guò)時(shí)，均會(huì )造成電機運行負擔加重，電機效率低下，電機損耗也遠遠高于新裝或新型電機。

1.2電機匹配不當，運行設置不科學(xué)

機械設備與電機配套不合理，包括形式選用不合理、容量選用不合理、轉矩和轉速選用，不合理等現象比較普遍，而機動(dòng)設備的用戶(hù)也由于對設備的選用不合理，運行方式不合理，造成大量的電機處于低效率運行狀態(tài)。很多電機在選配時(shí)沒(méi)有認真規劃，導致真正投入使用后電機額定功率對匹配功率過(guò)大（大馬拉小車(chē)）或過(guò)?。ㄐ●R拉大車(chē)）的問(wèn)題。其中“大馬拉小車(chē)”使電機多損耗了一部分空載損耗；而“小馬拉大車(chē)”則使電機超負荷運行，電機負擔過(guò)重，電機溫升過(guò)高，嚴重影響電機使用壽命。

1.3特殊工藝或生產(chǎn)發(fā)展需要是電機高耗低效運行的重要因素。

（1）采油系統。抽油機由于其特殊的運行要求，所匹配的抽油機電機必須同時(shí)滿(mǎn)足最大沖程，最大沖次，最大允許掛重的三個(gè)要求，還須具有足夠的堵轉轉矩，以克服抽油機啟動(dòng)時(shí)嚴重的靜態(tài)不平衡。因此，往往抽油機在設計時(shí)確定的安裝容量裕度較大。如6型抽油機配Y200L-6/18.5kW，10型抽油機配Y250M-6/30kW等，但實(shí)際功率卻比額定功率要小的多。因此，在抽油機電機的選配上往往安裝了容量較大的電機，增加了電機的空載損耗；而抽油機的特殊的負荷變化，使得電機的無(wú)用功增加，這都使采油系統和電機的效率較低。

（2）泵類(lèi)。鑒于油田對輸油注水站點(diǎn)擴容的考慮，有時(shí)在泵及電機的選配上采取以大帶小的方法，以滿(mǎn)足以后發(fā)展的需要，但很多站點(diǎn)輸油量或注水量較小或不斷萎縮，造成原來(lái)的泵機組配置過(guò)大，即嚴重的“大馬拉小車(chē)”，且這種狀況更多的時(shí)候不能立即更變，造成較為嚴重的電能損失。

二、電機節能測試實(shí)驗

為了研究電機節能潛力，特對油田中電機使用最廣泛的抽油機電機和泵類(lèi)電機進(jìn)行了節能測試實(shí)驗。

2.1抽油機電機節能實(shí)驗

對孤東油田2-13-14井的電機進(jìn)行了測試，實(shí)驗主要是通過(guò)更換電機（改變電機額定功率大?。﹣?lái)論證節電潛力。

監測發(fā)現，在2-13-14井上將Y160 M-6（7.5 kW）電機更換為Y112 M-4B5（4 kW）后，額定功率雖然降低3.5kW，但保證了正常的生產(chǎn)需要，且抽油系統效率略有升高，平衡度保持在80%-110％之間，有功功率從2.39 kW降低到1.45 kW，平均有功節電率達到了36.08%。

通過(guò)該實(shí)驗說(shuō)明：對抽油機等負載不平穩的系統，可根據電機的實(shí)際有功功率大小，選用或更換匹配的電機，降低額定功率，減小功率損失，提高電機電能利用率。

2.2泵類(lèi)電機節能實(shí)驗

對孤東聯(lián)合站2#鍋爐房的4#水泵電機進(jìn)行測試實(shí)驗，方法是對電機在安裝變頻裝置前后的功率變化情況（有功節電率）進(jìn)行測算，進(jìn)而論證變頻器對電機的影響。水泵電機控制柜安裝了變頻器后，可根據生產(chǎn)需要自由調節頻率，進(jìn)而改變泵流量和有功功率，為了方便說(shuō)明問(wèn)題，我們可以采集多個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行對比，測算節電率，監測中選取工頻（50 Hz）和47 Hz兩個(gè)頻率點(diǎn)。通過(guò)監測，頻率在47 Hz時(shí)，有功功率比工頻（50 Hz）時(shí)減小4.56 kW，功率因數提高0.0917，有功節電率達到了14.29%。

通過(guò)該實(shí)驗說(shuō)明：安裝變頻裝置后，不僅可以自由設置頻率，即電機以不同的轉速運行，從而達到需要的生產(chǎn)參數（如流量），方便生產(chǎn)中靈活調配，而且還可以在保證生產(chǎn)要求的前提下，提高功率因數，降低有功，減少不必要的損耗，是電機節能的有效途徑。

三、抽油機電機節能措施

電機降低損耗主要從恒定損耗（鐵耗和機械損耗）、銅耗及雜散損耗這三個(gè)方面人手，實(shí)際中的各種措施也是以減少這三種損耗中一個(gè)或多個(gè)為本質(zhì)的方法，具體的應用中則主要有以下幾種措施：

3.1選用高效節能型電機或專(zhuān)用電機，淘汰老舊落后電機

高效節能型電機的電機損耗僅是傳統落后電機的幾分之一，但電機效率卻明顯高于同狀態(tài)下一般電機，是老舊落后電機更替的首選。

（1）永磁同步電機。抽油機上使用的永磁同步電機是一種異步啟動(dòng)的同步電機，由轉子交流啟動(dòng)后牽入同步運行，類(lèi)似于交流同步電機。其運行是靠定子繞圈在氣隙中產(chǎn)生的旋轉磁場(chǎng)與轉子上磁鋼間的相互吸引，使轉子與定子氣隙磁場(chǎng)同步旋轉而做功。其轉子等效電阻電路，故功率因數高，因無(wú)磁勵電流，其空載損耗小。電機效率可達96％左右，較三相異步電機高。

（2）直流電機。直流電機有優(yōu)良的控制性能，其機械特性和調速特性均為平行的直線(xiàn)，這是各類(lèi)交流電動(dòng)機所沒(méi)有的特性。此外，直流電動(dòng)機還有起動(dòng)轉矩大、效率高、調速方便、動(dòng)態(tài)特性好等特點(diǎn)。

（3）其他專(zhuān)用電機。對有特殊工藝要求的設備，其對電機某一方面性能的要求不同，應結合具體情況具體裝配，盡量減少因普通電機為彌補專(zhuān)用電機性能而造成額外電機電耗。

3.2正確匹配電機功率

在選擇電機時(shí)應注意以下兩點(diǎn)：

（1）如果電機功率選得過(guò)小，就會(huì )出現“小馬拉大車(chē)”現象，造成電機長(cháng)期過(guò)載，使其絕緣因發(fā)熱而損壞，甚至電機被燒毀。

（2）如果電機功率選得過(guò)大，就會(huì )出現“大馬拉小車(chē)”現象。其輸出機械功率不能得到充分利用，功率因數和效率都不高，不但對用戶(hù)和電網(wǎng)不利，而且還會(huì )造成電能浪費。

要正確選擇電動(dòng)機的功率，必須經(jīng)過(guò)以下計算或比較：

（1）對于恒定負載連續工作方式，所選電機的額定功率應等于或稍大于計算所得的功率。

（2）短時(shí)工作定額的電機，與功率相同的連續工作定額的電機相比，最大轉矩大，重量小，價(jià)格低。因此，在條件許可時(shí)，應盡量選用短時(shí)工作定額的電機。

（3）對于斷續工作定額的電機，其功率的選擇要根據負載持續率的大小，選用專(zhuān)門(mén)用于斷續運行方式的電機。此外，也可用類(lèi)比法來(lái)選擇電動(dòng)機的功率。所謂類(lèi)比法。就是與類(lèi)似生產(chǎn)系統所用電機的功率進(jìn)行對比。

具體做法是：了解本單位或附近其他單位的類(lèi)似生產(chǎn)系統使用多大功率的電機，然后選用相近功率的電機進(jìn)行試車(chē)。驗證所選電機與生產(chǎn)機械是否匹配。驗證的方法是：使電機帶動(dòng)生產(chǎn)機械運轉，用鉗形電流表測量電機的工作電流，將測得的電流與該電機銘牌上標出的額定電流進(jìn)行對比。如果電機的實(shí)際工作電流與銘牌上標出的額定電流上下相差不大，則表明所選電機的功率合適。

如果電機的實(shí)際工作電流比銘牌上標出的額定電流低70％左右，則表明電機的功率選得過(guò)大（即大馬拉小車(chē)）應調換功率較小的電機。如果測得的電機工作電流比銘牌上標出的額定電流大40%以上，則表明電機的功率選得過(guò)?。?ldquo;小馬拉大車(chē)”，應調換功率較大的電機。

3.3針對不同系統，合理調整系統參數，科學(xué)維護，加強管理節能

電機的日常維護也是決定電機是否高效低耗經(jīng)濟運行的重要因素，要按照系統參數設置的要求，定期檢查電機運轉情況，優(yōu)化管理和維護。避免電機長(cháng)時(shí)間超負荷、高溫運行，對電機效率過(guò)低、不能經(jīng)濟運行的電機要及時(shí)進(jìn)行原因監測分析，調整負載狀態(tài)，盡可能地保持電機長(cháng)時(shí)間處于經(jīng)濟運行狀態(tài)。

對運行的各個(gè)系統，進(jìn)行正確的參數設置，監控電機與終端裝置的匹配狀況，避免“大馬拉小車(chē)”和“小馬拉大車(chē)”現象，讓電機始終保持在經(jīng)濟運行位置。

（1）機采系統。采油系統具有電機啟動(dòng)電流大，運行功率遠低于電機額定功率，負荷時(shí)刻變化，有上下兩個(gè)臨界點(diǎn)，這些特點(diǎn)要求定期使用嵌型電流表等簡(jiǎn)易儀器測試抽油機上下沖程最大電流，調整平衡度，使抽油機平衡度保持在80%-110%，將電機的無(wú)用功降低到最小。此外，對日產(chǎn)液量太小的油井，采取間開(kāi)的方法，既可以聚積采油能量提高采油效率，又可節約間歇停井時(shí)的電量，如一天平均停井12小時(shí)，相應的可節省50％的電費。

2008年6月，孤東采油廠(chǎng)選擇了60口抽油機井進(jìn)行電機中間軸改造，在不影響液量和原油正常生產(chǎn)的情況下，單井平均沖次降低1.8次／分，單井平均輸入功率下降2.49千瓦，單井日節電59.5千瓦時(shí)，系統效率提高5.05％，綜合節電率達29.8％。該技術(shù)的應用不僅解決了供液不足、動(dòng)液面低、產(chǎn)能低的抽油機井運行能耗大的問(wèn)題，而且解決了抽油機井其動(dòng)力矩大與運行功率小之間的矛盾，避免了抽油機不必要的高速運行導致的能耗大、減速箱磨損快等問(wèn)題。

（2）泵系統。無(wú)論是輸油泵、注水泵或循環(huán)水泵，均要監控壓力值，推算或測量流量變化，分析生產(chǎn)需求與泵、電機的生產(chǎn)能力的匹配情況。對嚴重大材小用的泵、電機，可考慮更換較小容量，或對電機進(jìn)行調速，降低有功功率；對嚴重不能滿(mǎn)足生產(chǎn)的可以增加泵數量或更換大容量泵和電機。

3.4使用軟啟動(dòng)、變頻調速裝置或安裝節電裝置

通常感應電動(dòng)機采用直接啟動(dòng)或一般啟動(dòng)的方法，電機的全壓起動(dòng)電流為額定電流的5-7倍，不僅損耗大，對電網(wǎng)沖擊也大，機械磨損，振漏大。如果用變頻調速啟動(dòng)，可以將起動(dòng)電流限制到很小，即使是滿(mǎn)載起動(dòng)，也只比額定電流稍大就可以了，損耗大大降低，既不沖擊電網(wǎng)，又不沖擊機械。

四、結束語(yǔ)

目前使用較多的電機是交流電機，約占各類(lèi)電機總數的85％以上，它具有結構簡(jiǎn)單、價(jià)廉、不需維護等優(yōu)點(diǎn)，但它的弱點(diǎn)是調速困難，因而在許多應用場(chǎng)合受到限制或借助機械方式來(lái)實(shí)現調速。使用變頻器調速信號傳遞快、控制系統時(shí)滯小、反應靈敏、調節系統控制精度高、使用方便、有利于提高產(chǎn)量、保證質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，因而使用變頻器是企業(yè)節能降耗的首選產(chǎn)品。

變頻器就負載類(lèi)型而言主要有兩方面的典型應用：

（1）以改進(jìn)工藝為主要目的，確保工藝過(guò)程中的最佳轉速、不同負載下的最佳轉速以及準確定位等。以其優(yōu)良的調速性能，提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高舒適性，使設備合理化，適應或改善環(huán)境等。

（2）以節能為主要目的，以流量或壓力需要調節的風(fēng)機、泵類(lèi)機械的轉速控制來(lái)實(shí)現節能，改造效果非常顯著(zhù)。

隨著(zhù)節能節電技術(shù)的不斷發(fā)展，針對電機節電的各類(lèi)節電裝置也不斷涌現，其主要原理是通過(guò)各種不同手段動(dòng)態(tài)調節電機運行狀態(tài)過(guò)程中的電壓電流，在保證電機轉速的前提下，保持電機的輸出轉矩與負載的精確匹配，有效地減少有功功率和無(wú)功功率損耗，也相應減少了磁損耗，同時(shí)使電機的功率因數提高。一般情況下綜合節電率在15％以上。