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    抽油机电机的节能标准改造探讨

    文章出处:黄启彪责任编辑:皖南电机查看手机网址
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    人气:-发表时间:2018-05-07 08:49【

    在油田生产中使用最为广泛的采油设备就是抽油机,而其庞大的耗电量超过了总用电量的四成马博官网,其工作中承受的周期性波动的负载,通常负载率较低马博官网,这也导致整个抽油机系统不超过 30% 的负载率马博官网,存在较为严重的电能浪费情况马博官网。作为电能到机械能转换的设备马博官网马博官网马博官网,抽油机电机这一电气设备承担了系统的原动力马博官网,而电机是否节能又直接影响到整个系统的节能状况马博官网马博官网。为提升抽油机系统的效率马博官网马博官网,达到节能效果,就需要对电机的耗能原理进行分析,针对高能耗的问题进行适当改造来获得更佳的运行方案。

    皖南电机抽油机节能电机

    ▲皖南电机:油田专用节能电机 

    1 电机节能及能耗分析分析

    1.1电机能耗机理

    电机分为直流电机马博官网、交流电机和控制电机马博官网马博官网马博官网。直流电机的电源为直流电马博官网马博官网,调速过程平滑,有着良好的启动性和经济性马博官网马博官网马博官网马博官网,多用于对调速和气动有一定要求的设备马博官网马博官网。交流电机的电源为交流电马博官网,从电源频率和转数上又分为同步电机和异步电机马博官网。电机转速为 n 值马博官网,在同步电机中马博官网马博官网,电源频率和 n 之间的关系固定马博官网,在负载变化的情况下也不会发生改变,可对其功率因数进行调节马博官网,在空载状态下实现无功功率的调节马博官网。对于异步电机马博官网马博官网,n 值始终低于电源产生的旋转磁场转速,因定子绕组的相数区别可分为单相异步电机和三相异步电机,单相多属于小型马博官网马博官网,而多相则有着不同的容量。

    电机的损耗主要包括了恒定损耗、负载损耗和杂散损耗马博官网。恒定损耗不受负载影响,主要是因不同的设计参数而形成的固有损耗,包括转速、结构马博官网、制造工艺和材料等马博官网,可分为铁心损耗和机械损耗。负载损耗也称为铜耗马博官网马博官网,是电流在通过转子绕组和定子是而出现损耗,绕组电阻和负载电流决定了该值的大小,占总损耗的两成到七成马博官网。杂散损耗是约为总损耗的 10%~15%马博官网,是铁心和导线等金属部件在转子马博官网、定子的高次谐波下出现的损耗。

    1.2高耗低效原因分析

    对油田抽油机的使用现状进行统计分析,造成电机高耗低效的原因主要包括大量老旧电机的使用马博官网、不当的电机匹配马博官网马博官网、特殊的工艺要求马博官网。当前存在电机超期服役的情况马博官网,有的甚至超过二三十年马博官网,这些电机内部存在严重的老化马博官网马博官网,且制造工艺和材料均已淘汰,技术性能无法达到需求马博官网,这就使得电机效率远低于新型高效节能电机马博官网马博官网马博官网。

    在电机选配方面马博官网马博官网马博官网,存在不合理的情况马博官网,主要表现在以下几个方面 :不合理的形式马博官网、不合理的容量马博官网、不合理的转速以及不合理的转矩。因工艺需求,抽油机的周期变化负载导致了不同阶段不同转矩马博官网马博官网,这就需要对容量裕度进行合理配置。

    2 抽油机负载特点

    抽油机在工作中马博官网,油柱上升中需要大功率马博官网,而在下方因自由落体不需要动力马博官网,为保持均匀负荷马博官网,通过添加平衡块的方式来实现平衡马博官网,电机轴上所承受的总负载转矩为平衡扭矩加上符合扭矩。在以曲柄转交和总负载转矩的关系形成的抽油机负荷曲线图中,随着油井的变化, 曲线有所不同马博官网马博官网马博官网,受平衡和井况影响,具有以下特点。

    抽油机的负载为波动且具有周期性马博官网马博官网,以冲次来对波动频率进行描述马博官网,通常情况下马博官网马博官网,抽油机冲程为每分钟 6到 12 次马博官网马博官网,波动周期为 5 到 19 秒马博官网马博官网。平衡扭矩为正弦曲线马博官网马博官网,但负荷扭矩呈不规则马博官网,总负载转矩曲线在呈现负功率时马博官网马博官网马博官网,电动机会进入发电制动状态马博官网。在负载扭矩曲线的一个周期内,平均值在最大值的 1/3 处马博官网,上下冲程都存在一个死点马博官网马博官网马博官网,在停车后的启动中,启动点始终未负载较大的死点马博官网马博官网。

    鉴于抽油机负载的特殊性马博官网,如果采取普通异步电机就会造成浪费马博官网马博官网。抽油机的启动是从死点附近带载启动马博官网,有着较大的惯性矩,为保证生产的顺利进行马博官网马博官网,电机的选配过程中就需要以最大扭矩为参考值马博官网,但是进入到正常工作后,平均转矩只是最大扭矩的 1/3,使得电机工作始终处于额定功率的 1/3 状态马博官网马博官网马博官网马博官网,造成浪费马博官网。再者马博官网马博官网马博官网,井场存在砂卡结蜡等情况时马博官网,为保证启动过程中不出现烧毁而对电动机进行不断更换马博官网,人为因素导致余量的增加,加剧了浪费程度。对现有的抽油机进行负荷率统计马博官网,通常在20% 左右,稍微能维持在 30% 这一相对高位马博官网,过低的符合运转使得电机效率无法提升马博官网,功率因数降低马博官网马博官网马博官网。在抽油机负载的周期性波动带动下,电机转速也出现波动马博官网,加大其损耗。因抽油机的平衡决定了周期性负载马博官网,无法做到根治。负功率出现在电网和电机中,在有功电能的吞吐作用下,使得功率因数不断恶化马博官网马博官网马博官网。

    3 节能及改造过程

    关于电机节能方面的标准主要有国家标准 GB18613《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》马博官网马博官网,现今参考的是 2012年颁布的第三版标准马博官网马博官网马博官网。在该标准中,中小型三相异步电动机效率可分为 1 级、2 级、3 级三个等级马博官网马博官网, 适用范围为 2 极、4 极马博官网、6 极,额定功率在 0.75~375 kW马博官网,50 Hz 三相交流电源供电马博官网,1000 V 以下电压马博官网。抽油机电机进行改造过程中可参考此类标准马博官网马博官网马博官网。

    对异步电机进行分析,在不变的频率下马博官网,负载转矩M 也为固定值,存在一个电压值 U 使其实现最优化马博官网,在该电压下能实现最高效和最小损耗马博官网。输入功率 P1 与电压变化 f(u)呈反抛物线分布马博官网。鉴于抽油机工作负荷的周期性波动马博官网马博官网,为实现曲线各点的最优化工作,就需要电机的输入电压也能随着负载扭矩的变化而变化马博官网。这就需要功率因数控制器来对输入电压进行调节马博官网,使其与负载波动对应马博官网马博官网,这类交流调压装置在当前技术下较容易实现马博官网马博官网马博官网,提升抽油机节能状况的优化方式可采取变压变频马博官网。从抽油机的恶劣工作环境分析,通常不可能采取电力电子节能装置,过高的成本,造成破坏后不能自助修理马博官网,且极易发生设备失窃的可能马博官网,导致高新设备的应用受阻马博官网。

    虽然电力电子节能装置在实际应用中无法推广马博官网,但是还有一种现实可行的方法马博官网,就是对电机定子绕组进行切换马博官网。最常见的抽油机电机功率在 7.5~75 kW之间马博官网,采取的 Y 系列异步电机,为满足大转矩的启动要求马博官网马博官网,可在启动时用三角形接法来实现定子绕组马博官网马博官网马博官网。当处于正常工作状态下,对每组绕组分成两部分马博官网马博官网马博官网,形成延边三角形,以此来降低电压和输入功率马博官网,实现节能马博官网马博官网,针对现采用的电机马博官网,可采取 1 ∶ 1 和 1 ∶ 2 两种类型。在换接定子绕组后马博官网,降低了电机相电压和最大扭矩马博官网,这就降低了过载能力马博官网。需要对过载能力进行考察马博官网,因为当最大扭矩还未达到抽油机峰值扭矩时容易导致停车。

    抽头比 K 为 Y 形部分和三角形部分的匝数比,过载能力变比 Kt 为延边三角形接法和三角形接法时的最大扭矩之比马博官网,等效降压比 Ku 为延边三角形接法和三角形接法时的等效相电压之比马博官网马博官网马博官网,改接后的最大转矩倍数 Km 为延边三角形接法时的最大转矩与电机额定转矩之比。一般情况下的 Y 系列电机中,抽油机的六、八极电机 Km 值为2马博官网。定子绕组换接后电机的过载能力马博官网,在 1 ∶ 1 类型中,Ku马博官网、Kt、Km 分别为 0.71马博官网马博官网、0.47马博官网马博官网、0.94马博官网,在 1 :2 类型中, 分别为 0.78、0.56马博官网、1.12马博官网。

    对原电动机进行改进后马博官网,保持了原有的启动力矩和启动电流马博官网,使其启动特性不变马博官网,改造后的电机也能再远场合正常适用,改造后马博官网马博官网,负载越小马博官网马博官网,节电率就会随之变得越高马博官网。改造的过程较少投入且操作简单马博官网马博官网马博官网,效果明显, 进行适当改进后也能应用于其他系列电机马博官网,适合应用于采油厂的技术改造马博官网马博官网。


    本文来源于《生产质量》马博官网。

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