抽油機電機的節（jiē）能標準改（gǎi）造（zào）探（tàn）討

在油田生產中使用最為廣泛的采油（yóu）設備就是抽油機，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的負載，通常負載（zǎi）率較低，這也（yě）導致整個抽油機係統不超過 30% 的負載（zǎi）率，存在較為（wéi）嚴重的電能浪費情況。作為電能到機械能轉換的（de）設備，抽（chōu）油機電（diàn）機這一電氣設備承擔了係統的原動力，而電機是否節能（néng）又直接影響到整個係統的節能狀況。為提升抽油（yóu）機（jī）係統的效率，達到（dào）節能效果，就需（xū）要對電機的耗能原理進行分析，針對高能（néng）耗的問題進行適當改造來獲得更佳的運行方案。

▲91麻豆国产福利品精電機：油田專用節能電機 

1 電機節能及能耗（hào）分析分析

1.1電機能耗機理

電機分（fèn）為（wéi）直流（liú）電機、交流電機和控製電機（jī）。直（zhí）流電機的（de）電源為直流電，調速（sù）過程平滑，有著（zhe）良好的啟動性和經濟（jì）性，多用於對調速和氣動有（yǒu）一定要求的設備。交流電機的電源為交流電，從電源頻率和（hé）轉數上又分為同步電機和（hé）異步電機。電機轉速為 n 值（zhí），在同步電機中，電源頻率和（hé） n 之間的關係固定，在負載變化的情況下也不會發生改變，可（kě）對（duì）其功率因數進（jìn）行調節，在空載狀態下實（shí）現無功功率的調節。對於異步電機，n 值始終低於電源（yuán）產生的旋轉磁場轉（zhuǎn）速，因定（dìng）子繞組的相數區別可分為單相異步電機和三（sān）相異步電機，單相多屬於小型，而多相則（zé）有著不同的容（róng）量。

電機的損耗主要包括了恒定損（sǔn）耗、負（fù）載損耗和雜散損耗。恒定（dìng）損耗不（bú）受負載影響（xiǎng），主要是因不同的設計參數而形成（chéng）的固有損耗，包括轉速、結構、製造工藝和材料等（děng），可分為鐵心損耗和機械損耗。負載損耗也稱為銅耗，是電流在通過轉子繞組和定子是而出現損耗，繞組電阻和負載電流決定了該值（zhí）的大（dà）小（xiǎo），占總損（sǔn）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（xiàn）等金（jīn）屬部件（jiàn）在（zài）轉（zhuǎn）子、定（dìng）子的高次諧（xié）波下出現的損耗。

1.2高耗低效原因分析（xī）

對油田抽油機的使用現狀進行統計分析，造成電機高（gāo）耗低效的原因主要包括大（dà）量老舊電機的使用、不當的電機匹配、特殊的工藝要求。當前存在電機（jī）超期服役的情況，有的甚至超過二三十年，這些電機內部存在嚴重的老化，且（qiě）製造工藝和材料均已淘汰，技術性能無法（fǎ）達到（dào）需求，這就使（shǐ）得電機效率遠低於新型高效節能電（diàn）機。

在電機選配方麵，存在不合理（lǐ）的情況（kuàng），主要表現在以下幾個方（fāng）麵 ：不合理的形式、不（bú）合（hé）理的容量、不合理的轉（zhuǎn）速以及不合理的轉矩。因工藝需求，抽油機的周期變化負載導致了不同階段不同（tóng）轉矩，這就需要對容量裕度進行合理配置。

2 抽油機負載特點

抽油機在（zài）工作中，油柱上升中需（xū）要大功率，而在下方因自由落體不需要動力，為保（bǎo）持均（jun1）勻（yún）負荷，通過添加平衡塊的方式來實現平衡，電機軸上所承（chéng）受的總負（fù）載轉矩（jǔ）為平衡扭矩加（jiā）上符合扭矩。在以曲柄轉交和（hé）總負載（zǎi）轉（zhuǎn）矩（jǔ）的關係（xì）形成的抽油機負荷曲線（xiàn）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。

抽油機的負載為波動且具有周期性，以衝次來對波動（dòng）頻率進行描述，通常情況下，抽油（yóu）機衝（chōng）程為每（měi）分鍾 6到 12 次（cì），波（bō）動周期為 5 到 19 秒。平（píng）衡扭矩為正弦曲線，但負荷扭矩呈不規則，總負載轉矩曲線在呈現負功率時，電（diàn）動機會進入發電製動狀態。在負載扭矩曲線的一個周期內，平均值在最大值的 1/3 處，上下衝程都存在一個死點，在停車後的啟動中，啟動點始終未負（fù）載較大的死點。

鑒於抽油機（jī）負載的特殊性，如果采（cǎi）取普（pǔ）通（tōng）異步電機就會造成浪費。抽油機的啟動是從死點附近帶載啟動，有著較大的慣性矩，為保證（zhèng）生產的順利進（jìn）行，電機的選配過程中就需要以最大扭矩（jǔ）為參考值，但是進入到正常工作後，平均（jun1）轉（zhuǎn）矩隻（zhī）是（shì）最大扭矩的 1/3，使得電機工作始終（zhōng）處於額定功率的（de） 1/3 狀態，造（zào）成浪費。再者，井場存在砂卡結蠟（là）等情況時，為保證啟動過程中不出（chū）現燒毀（huǐ）而對電動機進（jìn）行不斷更換（huàn），人為因素導致餘量的增加，加劇了浪費程度。對現有的抽油機進行負荷率統計，通常在20% 左右（yòu），稍微（wēi）能維持在 30% 這一相對高位，過低的符合運轉使得電機效率無法（fǎ）提升，功率因數降低。在抽油機負載的周期性波（bō）動帶動（dòng）下，電機轉速也出（chū）現波動，加大其損（sǔn）耗。因（yīn）抽油機的（de）平衡決（jué）定了周期性負載，無法做到根治。負功率出現在（zài）電網和電機（jī）中，在有（yǒu）功電能的吞吐作（zuò）用下，使得功率因數不斷惡化。

3 節能及改（gǎi）造過程

關於電機節能方麵的標準主要有國家標準 GB18613《中小型（xíng）三相（xiàng）異步電動機能（néng）效限定值及能效（xiào）等級》，現今參考的是 2012年頒布的第三版標準。在該標準（zhǔn）中（zhōng），中小型三相異步電動機效率可分為 1 級、2 級、3 級三個等級， 適用範圍為 2 極、4 極、6 極，額定功率在 0.75~375 kW，50 Hz 三（sān）相交流電源供（gòng）電（diàn），1000 V 以下電壓。抽油機電機進行改造過程中可參考（kǎo）此（cǐ）類（lèi）標準。

對異步電（diàn）機進行（háng）分析，在不變的頻率下，負載轉矩M 也為固定值，存（cún）在（zài）一個（gè）電壓值 U 使其（qí）實現最優化，在該電壓下能實現最高效和最小損耗。輸入功率 P1 與電壓變（biàn）化（huà） f（u）呈反拋（pāo）物線分布。鑒於抽油機工作負荷的周期性波（bō）動，為實現曲線各點的最優化工作，就需要電機的輸入電（diàn）壓也能隨著負載扭矩的變（biàn）化而變化。這就需要功率因數控製器來對輸入電壓進行（háng）調節，使其與負載波動對（duì）應，這類交流調壓裝置在當（dāng）前技術下較容（róng）易實現，提升抽油機節能狀況的優化方式可采取變壓變頻。從抽（chōu）油機的惡劣工作（zuò）環境分析，通常不可能采取電力（lì）電子節能裝置，過高的成本，造成破壞後不能自（zì）助修理，且極易發（fā）生設備失（shī）竊的可能，導（dǎo）致高新設備的應用受阻。

雖然電力電子節能裝置在實際應用中無法推廣，但是還有一種現實可行的方法，就是對電機定子繞組進行切換。最常見的抽油（yóu）機電機功率在 7.5~75 kW之間，采取的 Y 係列異（yì）步電機，為滿足（zú）大轉矩的（de）啟動要求，可在啟動時用三角形接法來實現定（dìng）子繞（rào）組。當處於正常工作狀態下，對每組繞組分成兩部分，形成延邊三角形（xíng），以此來降（jiàng）低電（diàn）壓和輸入功率，實（shí）現節能，針對現采用的（de）電機，可采取 1 ∶ 1 和 1 ∶ 2 兩種類型。在換接定子繞組後，降低了（le）電機相電壓和最（zuì）大扭矩，這就降低了過載能力。需要（yào）對過載能力進行考察，因為當（dāng）最大扭矩還未達到抽油機（jī）峰值扭矩時容易導（dǎo）致停車（chē）。

抽頭比 K 為 Y 形部分和三角形部分的（de）匝數比，過載能力變比 Kt 為延邊三（sān）角形接法和三角形接法時的最大扭矩之（zhī）比，等效降壓比 Ku 為延邊（biān）三角形（xíng）接法和三角形接法時的等效相電壓之比，改接後的最（zuì）大轉矩倍數 Km 為延邊三角形接法時的最（zuì）大轉矩（jǔ）與電機額定（dìng）轉矩（jǔ）之比。一般情（qíng）況下的 Y 係列電機中，抽油（yóu）機的六、八極電機 Km 值為2。定子繞組換（huàn）接後電機的過載能力，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。

對原（yuán）電動機進行改（gǎi）進後，保持了原有的啟動力矩和啟動電流，使其啟動特性不變，改（gǎi）造後的電機也能再遠場合正（zhèng）常適用，改造後，負（fù）載越小，節電率就會隨（suí）之變得（dé）越高。改造（zào）的過程較少（shǎo）投入且操（cāo）作簡單，效果（guǒ）明顯， 進行適當改進後也能應（yīng）用於（yú）其他係列電機，適（shì）合應用於采油廠的技術改造。

本文來源於（yú）《生（shēng）產質量》。

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