抽油機(jī)電機(jī)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)改造探討
在油田生產(chǎn)中使用最為廣泛的采油設(shè)備就是抽油機(jī),而其龐大的耗電量超過了總用電量的四成,其工作中承受的周期性波動(dòng)的負(fù)載,通常負(fù)載率較低,這也導(dǎo)致整個(gè)抽油機(jī)系統(tǒng)不超過 30% 的負(fù)載率,存在較為嚴(yán)重的電能浪費(fèi)情況。作為電能到機(jī)械能轉(zhuǎn)換的設(shè)備,抽油機(jī)電機(jī)這一電氣設(shè)備承擔(dān)了系統(tǒng)的原動(dòng)力,而電機(jī)是否節(jié)能又直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能狀況。為提升抽油機(jī)系統(tǒng)的效率,達(dá)到節(jié)能效果,就需要對(duì)電機(jī)的耗能原理進(jìn)行分析,針對(duì)高能耗的問題進(jìn)行適當(dāng)改造來獲得更佳的運(yùn)行方案。
▲皖南電機(jī):油田專用節(jié)能電機(jī)
1 電機(jī)節(jié)能及能耗分析分析
1.1電機(jī)能耗機(jī)理
電機(jī)分為直流電機(jī)、交流電機(jī)和控制電機(jī)。直流電機(jī)的電源為直流電,調(diào)速過程平滑,有著良好的啟動(dòng)性和經(jīng)濟(jì)性,多用于對(duì)調(diào)速和氣動(dòng)有一定要求的設(shè)備。交流電機(jī)的電源為交流電,從電源頻率和轉(zhuǎn)數(shù)上又分為同步電機(jī)和異步電機(jī)。電機(jī)轉(zhuǎn)速為 n 值,在同步電機(jī)中,電源頻率和 n 之間的關(guān)系固定,在負(fù)載變化的情況下也不會(huì)發(fā)生改變,可對(duì)其功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),在空載狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)無功功率的調(diào)節(jié)。對(duì)于異步電機(jī),n 值始終低于電源產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速,因定子繞組的相數(shù)區(qū)別可分為單相異步電機(jī)和三相異步電機(jī),單相多屬于小型,而多相則有著不同的容量。
電機(jī)的損耗主要包括了恒定損耗、負(fù)載損耗和雜散損耗。恒定損耗不受負(fù)載影響,主要是因不同的設(shè)計(jì)參數(shù)而形成的固有損耗,包括轉(zhuǎn)速、結(jié)構(gòu)、制造工藝和材料等,可分為鐵心損耗和機(jī)械損耗。負(fù)載損耗也稱為銅耗,是電流在通過轉(zhuǎn)子繞組和定子是而出現(xiàn)損耗,繞組電阻和負(fù)載電流決定了該值的大小,占總損耗的兩成到七成。雜散損耗是約為總損耗的 10%~15%,是鐵心和導(dǎo)線等金屬部件在轉(zhuǎn)子、定子的高次諧波下出現(xiàn)的損耗。
1.2高耗低效原因分析
對(duì)油田抽油機(jī)的使用現(xiàn)狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,造成電機(jī)高耗低效的原因主要包括大量老舊電機(jī)的使用、不當(dāng)?shù)碾姍C(jī)匹配、特殊的工藝要求。當(dāng)前存在電機(jī)超期服役的情況,有的甚至超過二三十年,這些電機(jī)內(nèi)部存在嚴(yán)重的老化,且制造工藝和材料均已淘汰,技術(shù)性能無法達(dá)到需求,這就使得電機(jī)效率遠(yuǎn)低于新型高效節(jié)能電機(jī)。
在電機(jī)選配方面,存在不合理的情況,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 :不合理的形式、不合理的容量、不合理的轉(zhuǎn)速以及不合理的轉(zhuǎn)矩。因工藝需求,抽油機(jī)的周期變化負(fù)載導(dǎo)致了不同階段不同轉(zhuǎn)矩,這就需要對(duì)容量裕度進(jìn)行合理配置。
2 抽油機(jī)負(fù)載特點(diǎn)
抽油機(jī)在工作中,油柱上升中需要大功率,而在下方因自由落體不需要?jiǎng)恿Γ瑸楸3志鶆蜇?fù)荷,通過添加平衡塊的方式來實(shí)現(xiàn)平衡,電機(jī)軸上所承受的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為平衡扭矩加上符合扭矩。在以曲柄轉(zhuǎn)交和總負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系形成的抽油機(jī)負(fù)荷曲線圖中,隨著油井的變化, 曲線有所不同,受平衡和井況影響,具有以下特點(diǎn)。
抽油機(jī)的負(fù)載為波動(dòng)且具有周期性,以沖次來對(duì)波動(dòng)頻率進(jìn)行描述,通常情況下,抽油機(jī)沖程為每分鐘 6到 12 次,波動(dòng)周期為 5 到 19 秒。平衡扭矩為正弦曲線,但負(fù)荷扭矩呈不規(guī)則,總負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線在呈現(xiàn)負(fù)功率時(shí),電動(dòng)機(jī)會(huì)進(jìn)入發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。在負(fù)載扭矩曲線的一個(gè)周期內(nèi),平均值在最大值的 1/3 處,上下沖程都存在一個(gè)死點(diǎn),在停車后的啟動(dòng)中,啟動(dòng)點(diǎn)始終未負(fù)載較大的死點(diǎn)。
鑒于抽油機(jī)負(fù)載的特殊性,如果采取普通異步電機(jī)就會(huì)造成浪費(fèi)。抽油機(jī)的啟動(dòng)是從死點(diǎn)附近帶載啟動(dòng),有著較大的慣性矩,為保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行,電機(jī)的選配過程中就需要以最大扭矩為參考值,但是進(jìn)入到正常工作后,平均轉(zhuǎn)矩只是最大扭矩的 1/3,使得電機(jī)工作始終處于額定功率的 1/3 狀態(tài),造成浪費(fèi)。再者,井場(chǎng)存在砂卡結(jié)蠟等情況時(shí),為保證啟動(dòng)過程中不出現(xiàn)燒毀而對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行不斷更換,人為因素導(dǎo)致余量的增加,加劇了浪費(fèi)程度。對(duì)現(xiàn)有的抽油機(jī)進(jìn)行負(fù)荷率統(tǒng)計(jì),通常在20% 左右,稍微能維持在 30% 這一相對(duì)高位,過低的符合運(yùn)轉(zhuǎn)使得電機(jī)效率無法提升,功率因數(shù)降低。在抽油機(jī)負(fù)載的周期性波動(dòng)帶動(dòng)下,電機(jī)轉(zhuǎn)速也出現(xiàn)波動(dòng),加大其損耗。因抽油機(jī)的平衡決定了周期性負(fù)載,無法做到根治。負(fù)功率出現(xiàn)在電網(wǎng)和電機(jī)中,在有功電能的吞吐作用下,使得功率因數(shù)不斷惡化。
3 節(jié)能及改造過程
關(guān)于電機(jī)節(jié)能方面的標(biāo)準(zhǔn)主要有國家標(biāo)準(zhǔn) GB18613《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》,現(xiàn)今參考的是 2012年頒布的第三版標(biāo)準(zhǔn)。在該標(biāo)準(zhǔn)中,中小型三相異步電動(dòng)機(jī)效率可分為 1 級(jí)、2 級(jí)、3 級(jí)三個(gè)等級(jí), 適用范圍為 2 極、4 極、6 極,額定功率在 0.75~375 kW,50 Hz 三相交流電源供電,1000 V 以下電壓。抽油機(jī)電機(jī)進(jìn)行改造過程中可參考此類標(biāo)準(zhǔn)。
對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行分析,在不變的頻率下,負(fù)載轉(zhuǎn)矩M 也為固定值,存在一個(gè)電壓值 U 使其實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化,在該電壓下能實(shí)現(xiàn)最高效和最小損耗。輸入功率 P1 與電壓變化 f(u)呈反拋物線分布。鑒于抽油機(jī)工作負(fù)荷的周期性波動(dòng),為實(shí)現(xiàn)曲線各點(diǎn)的最優(yōu)化工作,就需要電機(jī)的輸入電壓也能隨著負(fù)載扭矩的變化而變化。這就需要功率因數(shù)控制器來對(duì)輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),使其與負(fù)載波動(dòng)對(duì)應(yīng),這類交流調(diào)壓裝置在當(dāng)前技術(shù)下較容易實(shí)現(xiàn),提升抽油機(jī)節(jié)能狀況的優(yōu)化方式可采取變壓變頻。從抽油機(jī)的惡劣工作環(huán)境分析,通常不可能采取電力電子節(jié)能裝置,過高的成本,造成破壞后不能自助修理,且極易發(fā)生設(shè)備失竊的可能,導(dǎo)致高新設(shè)備的應(yīng)用受阻。
雖然電力電子節(jié)能裝置在實(shí)際應(yīng)用中無法推廣,但是還有一種現(xiàn)實(shí)可行的方法,就是對(duì)電機(jī)定子繞組進(jìn)行切換。最常見的抽油機(jī)電機(jī)功率在 7.5~75 kW之間,采取的 Y 系列異步電機(jī),為滿足大轉(zhuǎn)矩的啟動(dòng)要求,可在啟動(dòng)時(shí)用三角形接法來實(shí)現(xiàn)定子繞組。當(dāng)處于正常工作狀態(tài)下,對(duì)每組繞組分成兩部分,形成延邊三角形,以此來降低電壓和輸入功率,實(shí)現(xiàn)節(jié)能,針對(duì)現(xiàn)采用的電機(jī),可采取 1 ∶ 1 和 1 ∶ 2 兩種類型。在換接定子繞組后,降低了電機(jī)相電壓和最大扭矩,這就降低了過載能力。需要對(duì)過載能力進(jìn)行考察,因?yàn)楫?dāng)最大扭矩還未達(dá)到抽油機(jī)峰值扭矩時(shí)容易導(dǎo)致停車。
抽頭比 K 為 Y 形部分和三角形部分的匝數(shù)比,過載能力變比 Kt 為延邊三角形接法和三角形接法時(shí)的最大扭矩之比,等效降壓比 Ku 為延邊三角形接法和三角形接法時(shí)的等效相電壓之比,改接后的最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù) Km 為延邊三角形接法時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩與電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩之比。一般情況下的 Y 系列電機(jī)中,抽油機(jī)的六、八極電機(jī) Km 值為2。定子繞組換接后電機(jī)的過載能力,在 1 ∶ 1 類型中,Ku、Kt、Km 分別為 0.71、0.47、0.94,在 1 :2 類型中, 分別為 0.78、0.56、1.12。
對(duì)原電動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)后,保持了原有的啟動(dòng)力矩和啟動(dòng)電流,使其啟動(dòng)特性不變,改造后的電機(jī)也能再遠(yuǎn)場(chǎng)合正常適用,改造后,負(fù)載越小,節(jié)電率就會(huì)隨之變得越高。改造的過程較少投入且操作簡單,效果明顯, 進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)后也能應(yīng)用于其他系列電機(jī),適合應(yīng)用于采油廠的技術(shù)改造。
本文來源于《生產(chǎn)質(zhì)量》。
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