汪洋 马述俭 何小龙 刘恒峰 彭振华
摘 要为提高油井节能电机选型匹配工作的合理性及科学性，有效提高机采系统运行效率、降低能源消耗，对目前国内油田抽油机应用较为广泛的4种节能电机进行了对比性能测试。通过对节能电机机理及特性的研究和油井试验结果的对比分析，研究总结出各种节能电机各自的适用范围，并运用研究成果编制出塔河油田油井节能电机选型原则及选配方法。
关键词抽油机;节能电机;性能测试;选型
机械采油系统是油田主要生产系统，装机规模庞大，是用电大户也是油田节能改造的重点，电机是机采系统的核心耗能节点，也是机采系统节能潜力关键点。据统计：油田生产成本的1/3为电能消耗，目前我国抽油机电动机的总装机容量在3500MW以上，年耗电超过100亿kW·h，而且电机普遍负载率小、效率低[1]。
当前机械采油系统配套电机的使用存在三个主要问题：
（1）油井配套使用的电机种类繁杂，性能指标参差不齐;
（2）淘汰电机仍在使用，能源浪费严重;
（3）油井工况复杂多样，电机选配无据可依。
针对以上问题，为减少高耗能电机的电耗，提高油井节能电机选型匹配工作的合理性及科学性，有效提高机采系统运行效率、降低能源消耗，塔河油田对目前国内油田比较有代表性的4种节能电机进行了性能对比测试。通过对电机节能机理及特性的研究和油井试验结果的对比分析，研究总结出不同节能电机的适用范围，提出塔河油田节能电机选配方案。
1 塔河油田抽油机负载特点分析
抽油机在工作中，受砂卡、腊卡、黏滞、气体、振动、漏失等因素影响，负载呈现为一种带有冲击性的周期交变负载，在一个周期内波动大，起动转矩大，一般呈不规则曲线，而平衡扭矩曲线根据其特性一般呈规则正弦曲线，因此很难做到与载荷曲线一一对应，这就造成了曲柄轴净扭矩曲线的不规则性和较大的波动性。由于抽油机负载波动很大，在抽油机的正常运转中会出现抽油机的运转速度大于电机对它的驱动速度的情况，这时就会出现负扭矩，当减速器净扭矩曲线进入负值区间时，抽油机开始拖动电机进入发电制动状态。倒发电现象一是会造成能源浪费;二是会对电网产生污染，对电机正常运转产生影响，损坏电机[2]。
鉴于抽油机负载的特殊性，为保证采油生产的顺利进行，抽油机电机的选配一般是以最大扭矩为参考值，将额定功率选得很大，以应对大的启动转矩和运行中的负荷波动，但是抽油机实际正常工作时的平均转矩一般不超过最大转矩的 1/3，造成浪费。
2 国内油田抽油机在用典型节能电机性能特点
从国内各大油田的使用情况来看，目前在用的节能电机主要有YE3（YX3）系列高效电机、永磁同步电动机、开关磁阻电机、高（超高）转差电机等几类。
a）YE3（YX3）系列高效电机
高效电机是通过从设计、材料和工艺上采取措施提高运行效率，例如采用合理的定子、转子槽数、风扇参数和正弦绕组等措施降低损耗，效率可提高2%-8%，兼具效率高、寿命长等特点，可全面替换普通三相异步电机。
b）YEG3超高效、高转矩电机
该电机是在YE3系列电机基础上研发的新型抽油机用电机，具有高效率、高启动转矩和较软的机械特性，用于转动惯量大、有不均匀冲击载荷的机械设备。
c）开关磁阻电机（系统）
开关磁阻电机（系统）主要由开关磁阻电机与微机智能控制器两部分组成，是一种新型调速电机驱动系统。该调速系统具有效率高、功耗小、启动转矩大、启动电流小、功率因数高、机械特性较软等特点。不足之处是低速时转矩脉动大，高速重载时振动和噪声大[2]。
d）高（超高）转差率电机
高转差率电动机是通过改变转子槽形和导条材料提高电机转差率，增加转子电阻，从而使之具有堵转转矩较大，堵转电流较小，转差率较高和机械特性软等特点。适合于传动飞轮转矩较大和不均匀冲击负载的工作场合，目前主要应用于油田的抽油机系统。
e）永磁同步电动机
永磁同步电动机转子损耗比普通异步电机小得多，其效率和功率因数都优于一般异步电机，在（25%～120%）额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数。缺点是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;此外该电机机械特性较硬，且外转子级数已定，不能适用调参的需要实行变极调速。
3 抽油机工况下节能电机性能测试与分析
2019年3月27日至4月21日，在塔河油田采油一厂一区和二区选取了7口生产井作为试验井，采取同井同工况对比测试的方式，对安装在14型抽油机上的高转差、开关磁阻、超高效、永磁电机以及抽油机原配电机能耗情况进行了监测评价。
3.1 测试依据标准
（1）SY/T5264—2006《油田生产系统能耗测试和计算方法》
（2）SY/T6275—2007《油田生产系统节能监测规范》。
3.2 测试方法
（1）采取同井同工况对比测试的方式，每种电机安装运行3天后测试各项参数及耗电量。
（2）每种电机测试数据不少于3组，每组数据测试时间不少于5分钟。
3.3 选井原则
（1）选择7口安装14型抽油机的油井作为测试井，冲程、冲次一致。
（2）综合考虑油质的稀稠、含水的高低、泵挂的深浅、泵径的大小、液面的高低、载荷的大小、产液量的高低以及油压和套压的大小等因素。
（3）为保证测试数据的可比性，掺稀井不在选择范围之内。
3.4 对比测试结果
可以看出，4种节能电机相对普通电机均有一定的节能效果，其中，高转差电机和开关磁阻电机系统系统效率提升和百米吨液耗电下降较为明显，具有显著的节能效果，综合性能表现突出，更适合塔河油田井况和采油工况。
4 油井节能电机选型原则及选配方法
通过对节能电机机理及特性的研究和油井试验对比分析，可以得到如下的选型原则和选配方法。
4.1 电机选型原则
（1）电机选型遵循性能可靠、适度先进的原则，符合《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》2级能效标准要求，避免近期淘汰落后风险。
（2）电机选型要结合相关历史资料、使用情况等综合考虑。在满足机械负载要求的前提下，经济合理地确定电机的类型和额定功率，所选电动机与被拖动机械负载的特性相匹配。
（3）电动机的堵转转矩、最大转矩、最小转矩、转速及其调节范围等，应满足电动机所拖动的负载在各种运行方式下的要求。
（4）选择运行效率高，功率因数高，现场验证节电效果好的电机。
4.2 电机选配方法
电机选型要在满足机械负载要求的前提下，经济合理地确定电动机的类型和额定功率，所选电动机与被拖动机械负载的特性相匹配。
针对塔河油田油藏多为深井、油稠等特点，配套电机应具备启动转矩大、机械特性较软、过载能力强等特点，以更好地适应塔河油田抽油机负载特性。
抽油机电机更新原则上以高转差电机和开关磁阻电机为主，并且要结合油井井况和在用电机情况等综合考虑。在大泵径、高密度原油井况下，优先选用高转差电机;在中小泵径、中低密度原油井况下，优先选用开关磁阻电机。
5 结束语
通过理论分析和现场对比测试，确定了塔河油田节能电机选型原则和选配方法，可用以规范和指导该油田抽油机用电机的选型，为今后塔河油田的节能电机替换和新抽油机节能电机配套提供依据。
参考文献
[1]冯子明，张金东，顾慧彬，王丽丽.抽油机用电动机节电特性试验研究[J].石油机械，2013，42（07）：55-58.
[2]洪微微.游梁式抽油机倒发电危害机理及治理方法研究[J].石油石化節能，2018，08（06）：14-16.
[3]甘庆明.开关磁阻电动机在采油设备中的应用探讨[J].石油机械，2009，37（04）：70-72.
