低產能抽油機井降沖次節能技術研究

管 菲

（中國石化中原油田分公司采油四廠，河南 濮陽 457000）

一、概述

油田開發中后期，因低產能、低產液井的大量增加，抽油機沖次只需2～4沖次/min就能滿足生產需要，而原來是4～8沖次/min，過剩的抽油機沖次造成電能浪費和機械磨損增加。

抽油機的沖次與電機轉速、主動帶輪(電機帶輪)直徑成正比，與減速箱速比、從動帶輪(抽油機大帶輪)直徑成反比。

為實現降沖次的目的，根據電機變極調速原理，通過改變接線方式，采用繞組電流換向法，研制380V與1 140V兩個系列共14種低速及雙速抽油機電機，滿足了這部分井的生產需求，為抽油機井精細化調參提供了保障。

二、研究內容

1.變極調速與其他電機調速技術相比

電機調速方式主要有5種，如表1所示，其中變極、串極、變頻調速均屬于節電效果較好的高效調速，但串級調速只適用于繞線轉子，不適用于普通Y系列的鼠籠式電機，而變極調速降沖次為臺階性降沖次，變頻降沖次為無級連續性降沖次，變極調速雖然不如變頻技術調參精細，但能滿足生產要求，且結構和控制簡單便于維修和操作，經濟性好。

表1 電機調速方法綜合性能比較表

2.電機變極調速與機械減速相比

在低產能抽油機井生產現場，常用的機械降沖次技術有2種。一種在主動帶輪與被動帶輪間再增加一級齒輪傳動降沖次。另一種是在主動帶輪與被動帶輪間增加一組不同直徑的帶輪降沖次。增加一級減速箱，傳動效率降低5%；增加一級皮帶傳動，傳動效率降低6%。而用電機直接降速，12極低速電機與8極電機相比，效率降低1%，16極電機與8極電機相比，效率降低2%，用電機實現降沖次，節能成本低，便于維修和操作。

3.低速及雙速電機變極調速

(1)變極調速原理。

Y系列籠型電動機，在電源頻率f恒定條件下，由公式可知定子繞組磁場極對數p，就可以改變轉子轉速n。

式中：f——電源頻率；

p——磁極對數；

n1——電機同步轉速，可從電機轉速取整數后獲得。

(2)變極方法。

交流電機定子繞組磁動勢的極對數取決于繞組中電流的方向，將繞組按不同的排列連接，改變電流方向，能夠改變極對數p，獲得10、12、14、16極低速電機，倍極比(如6/12極，8/16極)雙速電機及非倍極比(如8/12極)的雙速電機。這里僅以倍極比Y280M6/12極雙速電機為例進行說明。

采用反向法改造Y280M-6型電機，原理如圖1所示。

圖1 6/12變極原理示意圖

圖中U相繞組包含6個極相組①～⑥，V相和W相的12個極相組未畫出。按圖1(a)接線，電流方向由4到1、2，產生的磁極是6極，按圖1(b)接線，電流方向由1到2，產生的磁極是12極。比較可知，極數加倍的原因是相繞組的一半電流反了向，即電流方向由相鄰繞組的2進2出變為1進1出。

變極繞組采用2Y/△接法，如圖2如示。

圖2 2Y/△繞組接線圖

高速運轉時為2Y接法，即原來的6極接法，其異步轉速為960r/min；低速運轉時為△接法，即新改接的12極接法，其異步轉速為480r/min。

△接法比2Y接法時的異步轉速降低一半。

繞組排列如表2所示。

由表2和圖3的槽電勢矢量圖可知，6極和12極繞組排列出現反向，使電角度相位差順序發生變化，6極為順序，12極為逆序，如果電源相序不變，則兩種接線下的磁場旋轉方向相反。為防止游梁式抽油機曲柄銷在反轉中退扣，兩種極數轉向應相同，使用12極時，必須改變相序，即從6極接法變成12極接法時要將3根電源線中任意2根對調。

雙速電機變極后，其特性也相應變化，由P=Mn/9.55可知，雙速異步電動機兩種極數的功率比有以下關系：

表2 Y280M-6/12雙速電動機繞組排列

式中：PⅡ、PⅠ——電機兩種極數下的不同功率；

MⅡ、MⅠ——電機兩種極數下的不同轉矩；

nⅡ、nⅠ——電機兩種極數下的不同轉速。

不同極數時轉速n的數量關系是固定的，因此不同極數輸出功率的數量關系取決于輸出轉矩間的數量關系，2種極數的轉矩比有以下關系：

式中：pⅡ、pⅠ——電機的兩種極對數；

EⅡ、EⅠ——電機兩種極數下的相電勢；

wⅠ、wⅡ——電機兩種極數下的繞組匝數。

極對數比值pⅡ/pⅠ是固定的，相電勢比值EⅡ/EⅠ與匝數比值wⅠ/wⅡ都和繞組接法有關，對380V動力電網來說，Y接法時E可約取220V，△接法時E約取380V，對于6極的2Y并聯接法，wⅠ取1路的匝數，對于12極的△串聯接法，wⅡ取2路的匝數和。因此該電機的性能特點取決于繞組的接法，具體特性見表3。

圖3 6/12槽電勢圖

表3 6極與12極的特性對比

為了簡化現場操作，設計了雙速電機的高、低速自動控制電路，如圖4所示，接通電源QS，按SB1，電機被接成2Y高速運轉，按SB3電機停轉，按SB2電機被接成△從高速轉換為低速運轉；反之則從高速轉換為低速運轉。由于KM1的4、6出線端和KM3的1、3出線端工作時調換了U、W相，故在兩種轉速下，抽油機都是正轉。

三、現場應用案例測試

2012年10月，采油廠委托中原油田技術監測中心對6口使用6/12、8/12極電機的抽油機井進行測試。測試中通過改變電機的“星”或“角”接法，改變電機轉速，因井下參數不變，且對兩種轉速的測試沒有時間間隔，所以油井負荷近似不變，測試結果見表4。

測試表明，低速運轉平均有功功率5.19kW，高速運轉平均有功功率8.41kW，平均單井節電38.29%、約3.22kW。轉速降低比例為38.20%。

圖4 6/12變極自動控制電路圖

表4 電機測試綜合報告

根據P=FV可知，在井下參數不變時(負荷近似不變，即F不變)，轉速V與功率P成正比關系，實際監測的有功節電率與理論計算的轉速降低比例基本吻合。

四、技術經濟指標

1.技術指標

抽油機沖次范圍從4～8次/min拓寬到了1.9～8次/min。雙速電機的高低速轉換調沖次，人工可以在瞬間完成，也可以實現自動轉換。適用于日產液量低于10t或日產油量低于2t的油井。

2.經濟指標

現場應用12極、16極低速及6/12、8/16極雙速電機162臺。經現場監測，12、16極低速運行狀態與6、8極運行狀態對比，單井平均有功功率降低3.22kW，年節省電費約合28 207元/kW·h。抽油機用電為6kV以下，中原油田分公司標準綜合電價0.763 2元/kW·h，單臺年創效21 528元。

五、認識與建議

(1)井下參數不變，也就是井下負載不變，抽油機配套使用低速電機與多速電機，耗電量隨沖次變化接近正比關系，符合P=FV基本原理。

(2)低產能井和低產液井配套使用低速及雙速電機，節能顯著。同時，機械磨損減少，對抽油管線平穩運行有利，可延長其使用壽命、節約作業費用、減少作業占井時間。

(3)雙速電機的高低速轉換，能在瞬間完成，有利于縮短低產井洗井后的排液時間。

(4)雙速電機既可以滿足普通油井的生產需要，也可以滿足低產能井的生產需要，適應沖次范圍比較寬，有利于減小管理成本。

(5)雙速電機配套分時調參控制箱，可以在用電低谷與高峰時，運行高低不同的沖次參數，有利于削峰填谷措施的實現，節約電費。

(6)低速電機啟動和運行轉矩大，適用于稠油井，在負載不平衡時，它運行電流平穩，啟動電流小對電網沖擊小。