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作者： 来源： 发布时间：2018/2/11 16:12:47  点击数：1147

1． 概述
目前，抽油机是应用最普遍的石油开采机械之一，也是油田耗电大户，其用电量约占油田总用电量的40％，且总体效率很低，据调查一般在30％左右。油田抽油机负载是独具特点的时变负载：有动、静负载特性之分。起动初始状态要求拖动电机的起动力矩是抽油机实际负载的3－4倍，甚至更大，起动力矩是抽油机选配电机的第一要素。当起动力矩适用则负载功率必然匹配不佳，运行负载功率都远小于电机的额定功率，即所谓“大马拉小车”现象。过剩的抽油能力令抽油机的无功抽取时间增加，造成油井开采的电费成本居高不下，能源浪费十分严重。可见抽油机的节能潜力非常可观。
2． 各种节能方式的优缺点
目前直接针对抽油机节电的技术主要有两大类：
1） 开发不同类型的抽油机节能电机。如高转差率电机、三相永磁同步电机、高起动转矩双定子结构电机和电磁调速电机（变极双速电机）等。
2） 使用节能配电箱。如定子绕组y-△转换调压、电容器动态无功补偿及静态无功补偿、可控硅调压（软起动）、液态电阻软起动、变频电源等
2.1抽油机节能电机
1） 超高转差率电机
据称在美国油井上已安装几万台，节电率达20％。但在我国实测结果是超高转差电机只在轻载30％以下负载时有节电效果。主要原因：首先要使用超高转差率电机节电，对象必须是振动载荷大的井（美国油井的振动载荷惯性载荷都大）。其次要求电机的转差率要适度，不可过高，一般说各大油田，电机转差率的最大值不能超过6％－8％。近些年，采油工艺的发展日趋于大冲程、低冲次，这种工艺本身就能最大限度的减少惯性负荷和振动负荷，因此超高转差率电机的应用范围被大大缩小。
2） 永磁同步电机
这是一种油田所用的新型抽油机电机，其效率和功率因素都优于一般异步电机。电机本身是硬特性，运行中无转差。如tyc250m-6，功率37kw，功率因素0.983，额定电流60.6a，堵转电流12.7倍，堵转力矩3.69倍。缺点：和高转差电机比，没有消减振动载荷的能力，反而会增大对减速箱齿轮的冲击损害；釹铁硼材料本身的居里点只在120℃－130℃，一旦电机烧毁就会失磁；此外转子级数已定，不能适用调参的需要实行变极调速。
3） 双定子电机
双定子电机是一种新型的异步电机，做成两部分定子。起动时集两部分的合力矩以加大起动力矩，待起动完成时则切除一部，留下另一部分运行，以适应低负荷时以低功率来匹配达到节电的目的。缺点电机的制造难度和成本增加。
4） 电磁调速电机
在抽油机既定的负荷条件下，通过仅改变其绕组结构完成6/8极，8/12极的单绕组非倍极改型设计，使其运行在原井抽油机上，其负荷率从20％－80％变化，电机都运行在高效区，这种方式既适用于旧电机改造，又适用于新电机生产。
2.2节能配电箱
1) 定子绕组y-△转换调压
电机正常运行时，定子绕组为△接法，起动时为y接法。起动时绕组电压为电网额定线电压的根号3分之一，起动电压降低，待接近额定转速时，定子绕组转换为△接法，控制简单，但每次起动需要人工干预，减压范围一定，用途受到限制。
2) 电容器动态无功补偿及静态无功补偿
无功补偿的基本原理是把容性负荷与感性负荷并联在同一个系统中,能量在两者之间互相转换。这样,感性负荷所需的无功功率可由容性负荷提供,功率因数也提高了,也减小了无功损耗,还可以提高设备的有功功力、降低功率损耗和电能损失。根据以上的想法,如果在高压电动机起动时并联适当电容值的电容器,同样可以补偿起动时的无功功率,减小起动电压降。其工作原理是:在启动高压电动机时,同时将电容器投入,经过适当的时间,迅速退出电容器组。整个过程可理解为无功功率的就地补偿,只是时间很短。电容补偿起动的优点在于起动时,电动机的端电压不降低同样可以减少起动电流,并且不减少起动转矩,缩小起动时间。
图1 电容补偿起动控制系统图
3) 可控硅调压（软起动）
一般称之为电机的软起动，通过采用晶闸管调压电路来控制电压的大小。如图2所示：
图2 晶闸管调压电路
虽然采用双向晶闸管实现了定子电压随负载变化的连续调节，节电效果较好，但是电源电流波形发生畸变，电网谐波污染严重，另外在油田的恶劣环境下，其可靠性等都受到制约。同时结构复杂，成本较高。
4) 液态电阻软起动
在起动过程中, 将可变电阻串入定子, 实现限流, 在起动完成后将它短接。电阻的可变性是靠改变电解液电阻箱的极板距离实现的。电解液电阻箱串入定子的方法在本质上属于降压起动, 它是以牺牲起动力矩为代价的。电阻值随着电机转速的升高而均匀减少, 借以不断增加起动力矩, 并为短接时不产生电流冲击准备条件。其系统如图3所示。
图3 液态电阻软起动
在定子回路中串入电液变阻起动器的三相电阻, 其中q f1 为主机运行断路器,q s 为隔离开关,q f2 为星点短接断路器, rs 为电液变阻起动器。电液变阻器由三个相互绝缘的电液箱构成, 内部分别盛有电液及一组相对应的导电极板, 导电极板为一动一定, 动极板组通过传动机构及伺服控制系统控制运行。起动开始后, 根据电动机起动电流的大小可自动地调整液阻值, 使整个起动过程控制在较小起动电流下均匀升速, 而液阻无级切除, 从而实现电动机的软起动。优点成本低，易于维护，工作环境要求不高；缺点：体积大，占地面积大。
5) 变频电源
随着大功率半导体器件的发展，研制具有高性能价格比的抽油机专用变频电源是有发展前途的油田节能产品。如采用基于双pwm变频电路的电源系统，实现电能的双向流动，同时具有输入功率因素校正作用。电压型双spwm变频器主电路如图4，双spwm变频器控制策略如图5。
图4 电压型双spwm变频器主电路
以上新型双spwm变频电源实现了能量的双向流动，且功率因素接近1，是抽油机类频繁可逆、快速制动负载的最佳电源选择，其节电效率可达15％。其缺陷是设备成本较高，控制系统复杂，在油田的恶劣环境下工作，其可靠性防盗等都成问题。但长远来看，应该是发展方向。
图5 双spwm变频器控制策略
3． 解决方案
基于以上分析，结合实际。拟订以下解决方案。
1） 研制和生产节能型抽油机专用电机
针对油田情况，设计和生产油田抽油机专用特种电机：抽油机用永磁同步电机，电磁调速电机和双定子电机可以在很短的时间内，得到相关产品，并推向市场。
2） 研制和生产液态电阻软起动系统
液态软起动技术，其研究成本较低，周期短，能适应油田恶劣的工作环境，维修简单。容易为广大的油田用户所接受。场地问题在油田不是很突出，以此为相关电机的起动解决方案，结合特殊设计的油田抽油机电机，可以较快的赢得市场和客户。
3） 研究和试推广双spwm变频系统
此项系统是较为先进的技术，其工业化和市场化的时间较长，但其无疑代表了油田抽油系统未来的发展方向，目前看来，由于成本较高，控制技术复杂，可靠性等问题，油田用户接受还需要一个过程，但可以相信，会有越来越多的客户选择这一技术。
以上方案，仅是针对油田抽油机提出，但它同样可以适用于其他行业类似负载的解决方案，如电厂，钢铁企业等，所以可以预见，一旦我们有系列化的产品，所面对的市场将是非常广阔的。

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