抽油机电机运行工况及节能问题探讨

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摘要：分析了抽油机电机存在“大马拉小车”现象，给出了正确选择电动机功率的原则和节能电机的选择，抽油机的负荷经常发生变化，根据油井负荷大小，合理选择电机的功率，并提出了提高电机功率因数的有效措施，同时加强设备的运行和维护，保持良好的运行状况，可有效的减少能耗。

关键词：抽油机；电机；节能

Abstract: the author analyzes the existing pumping unit motor "big marat car" phenomenon, giving the correct choice of the motor power principles and energy saving the choice of motor, of the unit load change constantly, according to oil well load and rational selection of the motor power, and put forward improving motor power factor of effective measures, while strengthening equipment running and maintenance, keep good operation condition, can effectively reduce the energy consumption.

Keywords: pumping unit; Motor; Energy saving

中图分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号：

机械采油是国内各油田主要的原油生产方式，抽油机械又以游梁式抽油机应用最为普遍。抽油机是油田耗能大户，用电量约占油田用电量的40%，抽油机节能效益十分可观。抽有机节能降耗途径很多，就抽油机的拖动、供电等讨论抽油机的电气节能问题，对油田输配电系统管理具有重要的作用。

选择电动机功率的原则

（1）抽油机电机存在“大马拉小车”原因。抽油机一般由电机驱动，电动机轴上形成的负荷冲击、有一两次负值扭距出现，抽油机的合成扭距T随曲柄转角θ的变化曲线，见图1。抽油机的负荷曲线每口井几乎都不相同，现场测试表明，抽油机的平均负荷一般为最大负荷的1/3，电动机的负荷率大部分在10%~20%，负荷率最高的也不过30%。电动机的平均负荷率低，电动机的容量没有被充分利用，存在着严重的“大马拉小车”现象，造成电机功率因数低、效率低。长期以来人们都试图用高转差电机改变“大马拉小车”这一现象，在一定程度上改善了抽油机的拖动。对抽油机来讲，按抽油机平均负荷考虑电机发热确定的电动机，启动能力不能满足抽油机启动的要求，选用普通电机就要增大电机容量以增大启动能力，这就是造成“大马拉小车”的根源。事实上，对于周期性变动负荷，尤其是负荷冲击大的场合，这类负荷的驱动电机存在“大马拉小车”现象是合理的，采取措施可以改善这种状况，但不可能完全根除这个现象。

图1 抽油机合成扭距T随曲柄转角θ的变化曲线

（2）选择电动机功率的原则。在电动机能够满足负载要求的前提下，最经济合理的决定电动机的功率。选择电动机功率主要考虑电机发热、过载能力和启动能力三个因素。

二、抽油机电机的启动问题

（1）抽油机要求电机的启动转矩大。抽油机电机都是带载启动，每次启动时抽油机都要从上下冲程的死点，即最大负荷扭矩处开始启动，加之抽油机系统惯量大，启动时间长，为了电机的顺利启动，客观上要求电机启动性能好。人们在选择电机时考虑各种意外情况又人为地加大了裕量，“大马拉小车”这个问题更加突出。为了防止井下异常工况如砂卡、蜡卡等造成停车，修井以后油井负荷一般大副增加而尽量不更换电机；油井供电变压器容量小，启动时线路压降大，另外电力网电压随季节等因素波动，电压低时经常启动困难，为了减少停井时间，希望抽油机启动顺利，又人为地增加了电动功率定额。

（2）抽油机电机控制电器。当配电系统中发生短路故障、雷击、断路器操作、变压器、电容器组的投切以及所带的感应电机的启动等事件时，均会引起电压波动。其中短路故障、雷击、所带的感应电机的启动是引起配电网中电压波动的主要原因。相比雷击和电机启动，短路故障引起的电压波动最为严重。短路故障发生时，短路点附近节点电压下降，电压波动发生；随着故障消失，短路点附近电压恢复正常，电压波动结束，因而，电压波动的时间取决于故障的时间。引起电压波动的原因分别为雷击的短路故障。抽油机电机启动时由于线路压降大，变压器容量偏小，变压器内阻抗压降大，变压器外特性很软，电机端电压很低。电机电压过低，使控制电器不能正常工作，影响抽油机电机启动。根据我国标准和IEC有关标准，接触器必须能在0.85Uc（Uc为线圈额定电压，哟的产品为0.8Uc）的电压条件下正常工作。如果电压降超过15%，接触器衔铁吸力不足，触头松动，将造成惦记供电时端时续，惦记启动里矩短小，启动困难或无法启动，同时也容易损坏接触器。解决电机启动时出现的电压短时过低问题，我们往往加大接触器的规格，同100A的接触器或自动空气开关取代60A的，而它们的线圈额定电压是一样的，收不到效果或电机启动后无法运行时，同木棍等接触器的衔铁闩住。这样虽然一时能工作，但却留下了事故隐患，变压器一相输出跳闸，电机端相运行，造成过载，过热，而接触器触头不能分断，造成电机烧毁。

（3）油井变压器的供电容量问题。抽油机电机都采用直接启动方法，一般7.5kW以下的异步电动机允许直接启动，7.5kW以上的异步电动机电源容量较大时也允许直接启动。对抽油机常用的六极、八极电机，功率一般为几十千瓦，要求电源容量为电动机容量的20~30倍，如八级18.5kW的电动机要求电源容量为560kVA，八极30kW的电机要求电源容量为870kVA。如果照此选择变压器的容量，则抽油机电机直接启动时电网电压波动较小，能达到国家标准。油田按上述要求选择油井变压器的容量是不可能的。油田上一台变压器给3~5口油井供电，太大的裕量也会给变压器造成“大马拉小车”的问题，对变压器的运行也不利。实际3~5口油井由一台变压器供电，每口井抽油机电机为20~30kW，变压器的容量为50kVA~100kVA，应选容量的10%~20%。变压器容量偏小，内阻抗大，电机启动时会产生较大的压降，电机端电压低又使电机启动力矩减小，造成启动困难，这样可增加电机功率以增加启动力矩。

三、油田配电网对抽油机启动运行的影响

随时油田开发区块的不断扩大，或调整井的不断加密，或注水井量的不断增加，配电网负荷越来越大，配电线路也在不断延伸。油田配电网中的某些线段的电流密度已超出了经济电流密度的限值，造成网损过大，线路压降大，电压质量降低，使电机运行恶化，同时给电机启动带来困难，又迫使电机容量进一步加大。在抽油机的能耗测试中常常遇到这种情况，有些油井离变压器较远，电机能正常启动，而同一台变压器供电的离得近的油井，电压并不低，抽油机电机却很困难，供电线路电缆规格不同，不能只看距离远近。为了降低配电网网损，减少线路压降，应对这些线路及时改造，增大导线面积，以改善线路为端的电压质量，从而改善抽油机的启动与运行状况。

四、节能电机的选择

游梁抽油机是机、杆、泵组成的复杂系统，电机的节能效果不仅取决于电机和系统本身，还取决于油井工况。

（1）对于高含水，泵挂浅（在1000 m以内），中冲次(4次左右)的情况。泵挂浅，冲次不高，抽油杆弹性形变不很大，主要是解决“大马拉小车”的问题，一般可选择8极的双功率电机或8极的稀土永磁电机。如果选择双功率电机节能效果能达到12%以上；如果选择稀土永磁电机(在不退磁的情况下)，其节能效果能达到15%以上。

（2）对于高含水，高冲次(（5～7 次），泵挂在1000 m或更深的情况。由于冲次高、泵挂深，抽油杆弹性形变较大，主要是要解决泵效的问题。应该选择软特性电机，使系统实现柔性配合，提高系统效率。还能较大地减小减速机峰值扭矩，减少抽油杆脱断的几率。选择超高转差电机或绕线式异步电机，节能效果都能达到15%。

（3）对于供液不足，低冲次（一般在1～3次）的情况。由于低冲次抽油杆弹性形变不大，主要是考虑电机的低转速，选择电磁滑差电机和变频调速电机是比较合适的。尤其是对那些供液量波动比较大的情况，比如有时需要达到4次或5次，选择电磁滑差电机和变频调速电机更为合适。也可以采用其他方法实现1～5次的调节。

（4）对于那些长冲程，低冲次（3～4次），深抽（2000 m左右）的情况，主要是解决“大马拉小车”的问题。在冲次不高的情况下，换向加速度不大，抽油杆的弹性形变不大。因此选用8极的双功率节能电机或稀土永磁电机是比较合适的。或选择8极的高转差电机，也能较好地解决“大马拉小车”的问题，节能效果都能达到12%以上。

五、结束语

分析了抽油机电机的运行工况与节能问题，并提出了有效措施，即减少线路压降，应对供电线路及时改造，增大导线面积，以改善线路末端的电压质量，降低配电网网损，可改善抽油机的启动与运行状况。电压过低使抽油机的控制电器不能正常工作，可改进接触器的设计，使抽油机电机启动正常。抽油机的负荷经常发生变化，根据油井负荷大小，合理选择节能电机，同时加强电机的运行和维护，保持良好的运行状况，也可以有效的减少能耗。

参考文献：

[1] 张燕宾.电动机变频调速图解[M].北京：中国电力出版社，2003.