抽油机用节能电机评价及改造方式的探讨

抽油机用节能电机评价及改造方式的探讨作者：殷雷频道：电机发布时间：2008-11-261抽油机用节能电机评价抽油机作为活塞式有杆泵的地面举升设备，只要能够满足其运动及机械特性的电动机就可以作为其拖动的动力设备。常见的抽油机用节能电机有异步电机和同步电机；例如：(超)高转差三项异步电动机、永磁同步电动机等。1．1常规游梁式抽油机的工作特性抽油机工作时是由电机驱动减速器带动四连杆机构实现驴头上下摆动，驴头带动抽油杆使活塞泵做上下往复运动完成抽汲过程。抽油杆在上行和下行时负载的变化大，导致抽油机减速器的净扭矩波动幅度大，反映在电机上则电流变化大。由于抽油机具有自身的机械平衡装置和周期脉动的负载特性，所以要求电机具有高启动扭矩，才能保证抽油机在静止状态下启动起来。这样在选择电机时要求电机的额定功率要大(启动扭矩要大)，当抽油机启动以后正常运行时负载下降电机在轻载下工作(一般运行功率仅为装机功率的三分之一)，系统效率测试数据显示抽油机井电机效率多在40％。60％、功率因数在0．3～0．5之间。1．2节能电机简介多年来的实践表明，我们认为节能电机应具备“电机拖动负载与电机的输出扭矩(功率)间的合理匹配”的功能，抽油机在运行过程中，电机的输出功率随着载荷的变化在无人为干预的情况下实现自动转换。统计我厂在用各类电机的情况显示，复式电机与双绕组电机能够实现“电机拖动负载与电机的输出扭矩(功率)问的合理匹配”，即启动和运行的功率不同。其它种类的节能电机仅仅做到了根据目前负载适当降低装机功率达到节能的目的，即启动与运行仍然是在相同功率下。当抽油机的负载率达到85％以上时，这类节能电机是启动不起来的，但是原机型所匹配的常规Y系列电机则不存在启动困难的问题。(1)(超)高转差电机节能原理：依靠降低转子转速％来达到增加扭矩从而降低装机功率的目的。(超)高转差电机与普通Y系列电机相比，具有以下特点：a．超高转差率电机解决了起动问题以及通过降低转速降低载荷的峰值，就可以用小容量的电机取代大容量的普通电机，避免大马拉小车，取得良好的匹配，电机固定损耗(铁损、机械耗)及可变损耗均大大降低。b．生产运行过程中(超)高转差电机比常规Y系列电机平均效率高。c．提高功率因数，减少线损和无功损耗。(2)双速双功率电机在结构上与Y系列电机相似，区别在于利用单槽内下入单线“引出多组头”，通过在多组头之间改变接线方式，即实现了“双极双速”。该电机沿用了高转差率的特性，利用降低转速来达到提高扭矩实现降低装机机座号(装机功率)的目的。现场应用中速度的转换，需要停机靠人工实施转换。优势①保留了高转差率电机所具备的优势；②节电效果效果明显：平均有功节电率可达到15％。③由于其速度可以调整给抽油机井的调参工作带来了方便。不足①在一个固定的功率下运行，无法实现机采井运行负载与电机输出负载间的合理匹配，影响了其电机功能的发挥。②由于转差率高的缘故，在运行过程中易出现丢转现象。(3)永磁电机在结构上与Y系列电机相似，所不同的是在电机转子内镶入永磁铁，使转子自身具有高强度磁场，可以用来取代电动机转子的电励磁，显著提高功率因数，减小定子电流和定子电阻损耗。永磁同步电机为同步工作方式，转子转速与定子旋转磁场完全同步，与异步电机相比，无转差损耗。优势①效率高、高效区范围宽。②功率因数高，无功节电效果相当显著。③起动力矩大、过载能力强在匹配合理的条件下、节电效果显著。不足：①无法实现抽油机运行负载与电机输出负载间的合理匹配。②由于同步电机的启动特性较硬，在重载井上启动时电机易出现振动现象。③制造成本较常规Y系列电机要高出至少40％左右。④容易出现退磁现象。(4)复式电机优势①实现了运行与电机输出的合理匹配，确保了电机始终在高效区运行。②节电效果显著。③自动控制实现的过程简单，运行平稳可靠。不足：①制造成本高、体积庞大、维修难度较大。(5)双绕组电机双绕组电机在设计上是在单槽内下入双线，即形成了两套绕组。我们称之为启动绕组和工作绕组，确保了该电机具有两种功率即启动功率和运行功率。在控制系统中巧妙的应用了Y一△转换，使实际的运行功率可以依据负载的需求多了一级功率的变换。在运行过程中，借助于专用的控制系统，实际上是在三个功率下依据负载需求自动切换运行。①电机启动时，启动绕组在额定功率下(启动功率)启动电机，以满足抽油机启动时需高扭矩的要求，启动后转入正常运行。②正常运行时，负载下降，通过控制箱自动转换到工作绕组上运行，电机的功率下降至运行功率。工作绕组是将两个绕组串联，运行功率的值是根据抽油机运行时的负载大小来决定的。具体的实现过程如下：两套绕组在电机的内部串联如图3所示。u。U2，V。，v2，WI，W2为启动绕组，U2U3，v2V3，W2W3为运行绕组。①电机启动将启动组接成△形，具有启动转矩满足抽油机启动时对电机转矩的要求。②电机在正常运行时，两套绕组串联接成△形，能满足负载率为50％时抽油机对电机转矩的要求。③当负载率为30％以下时，启动绕组接成Y形。优势：·实现了运行负载与电机输出负载间的合理匹配，确保了电机始终在高效区运行。·节电效果显著：由于双绕组电机具有三个功率可供选用，有功节电率在19％左右。·自动控制实现的过程简单，运行平稳可靠。2节能电机的更新原则2．1拖动装置节能的理论基础抽油机井节能在理论上所追求的是“抽油机井的机械特性与电机特性间的合理匹配”，真正实现抽油机井运行负载与电机输出负载间的合理匹配。2．2更新节能电机的原则选择电机时要综合考虑，首先确定电机的类型，然后再选择电机的功率，最后需要考虑的是投资问题。(1)节能电机类型的选择抽油机用节能电机有高转差率电机、超高转差率电机和永磁电机三种类型。如何选择合适的电机类型，涉及到各种类型的电机在游梁式抽油机上工作特性的评价。应对抽油机井实际工况进行具体分析后，才能做出较为合理的选择。从以下几个方面进行比较：①电机启动性能，要求其配套的拖动装置应具备较软的启动特性。②电机的过载性能力③电机的节电效果(2)额定功率、最大扭矩的选择抽油机输入的功率就是电机必须输出的功率，抽油机系统的特性和功率要求随不同电机的选用而变化。电动机的选择首先应满足功率的要求；一般来说，最大泵径工况的功率需求总是最大的，可按可能使用的最大泵径、光杆最大冲程、抽油机最高冲次与由减速箱许用扭矩和额定悬点载荷确定的最大井深等参数计算所需功率，电机额定功率的选择应大于抽油机可能需求的最大功率，并要留有一定的余量。配备抽油机用电动机时除了满足功率要求外，还应满足最大扭矩的要求，即传到电机轴上的最大扭矩不应当超过电机允许的最大扭矩。设减速箱曲柄最大扭矩为Tmax，电机的最大扭矩为Tdmax，则有式中：i-为从电动机到减速箱曲柄轴的传动比；m-为从电动机到减速箱曲柄轴的传动效率。(3)抽油机拖动装置的选择方法在选择抽油机拖动装置时，我们应满足抽油机曲柄旋转扭矩的需求，因此选择时必须要考虑电机的扭矩。抽油机拖动装置的选择方法，依据净扭矩曲线计算其均方根扭矩Te。式中：Te-均方根扭矩kN．m；N-等分区间数；Tni-瞬时扭矩值。电机扭矩的计算方法：式中：M-电机扭矩N．m：P-电机功率kW；nd-电机名牌转速r／min。对于不同种类的抽油机其净扭矩曲线的波动隋况存在差异，因此其均方根扭矩瓦的值是不同的。3常规Y系列电机节能改造3．1实施节能改造的必要性“十一五”期间我们将更换下来相当数量的常规Y系列电机，这部分企业资产若不有效的利用，必将会导致生产成本的增加，和没有必要的浪费。因此为实现国有资产的保值和增值，有效的控制生产成本的增幅，对于更换下来的常规Y系列电机实施节能改造、重复利用有着深远的意义。3．2改造方式及原理(1)永磁改造即将普通电机改造成永磁电机，改造过程中废弃原电机的转子，更换成带永磁铁的转子，为实现其相互间的配伍废弃原定子重布矽钢片重新下线，原电机仅用了一个壳体。(2)双(多)功率改造a、实施双绕组改造改造过程中将原定子线圈去除，重新在单槽内下入双线圈，实现了“双绕组改造”。改造后的“双绕组电机”需要配置专用控制柜，组合成“一体化”拖动装置。实现过程简单，依据抽油机负载自动实施匹配功率运行，改造费用低。b、实施“多抽头”改造改造过程中将原定子线圈去除，重新在单槽内下入单线实施抽头，(也可以在原线圈上直接抽头，这种做法通常绝缘会下降)，实现了“多抽头改造”。改造后的“多抽头电机”需要配置专用控制柜，组合成“一体化”拖动装置。c、实施“双极双速”改造改造过程中将原定子线圈去除，重新在单槽内下入加粗单线“引出多组头”，通过在多组头之间改变接线方式，实现了“双极双速”。改造后的“双极双速”需要配置专用控制柜，组合成“一体化”拖动装置。3．3改造实施方案及效果针对目前现有的已成型的电机改造，由于“双功率”节能改造，技术成熟、成本低、效果好，我们推荐实施“双功率”改造方案。(1)常规电机改为永磁同步电机技术上是成熟的，节能效果较好，但是改造费用高，不建议选用。实施永磁改造，由于原电机可再用的部分较少，改造费用与新的永磁同步电动机相比平均相差4924元(不含控制箱)，与新Y系列电机的平均价格相比高出10887．86元。(2)常规电机改为双功率电机技术上是成熟的，改造费用较低，节能效果较好，推荐选用。在改造过程中仅需要动定子线圈，最大限度的保留了原电机的部件(若无损坏无须更换)，因此其改造费用低。从上表中可以看出，电机的平均改造费用与新的Y系列电动机相比平均相差2634．81元，仅在其修理费用的基础上平均增加643．3元，即可完成电机的双绕组改造；配备专用的控制柜平均需费用为3250元。4经济效益分析依据各厂提供的现场实际测试结果测算，实施永磁改造的投资回收期为25．3个月；而实施双功率改造的投资回收期仅为12．9个月。(1)常规电机改为永磁同步电机，据138台井统计，平均El节电31．71kWh，综合节电率达20．9％，按每台电机改造费用13187．61元，电价O．5元计算，日节约电费15．8元计算，则27．82个月可收回改造费用。(2)常规电机改为双功率电机，据230台井统计，平均日节电46．3kWh，综合节电率达16．9％，按每台电机改造费用9061．739元，电价0．5元计算，日节约电费23．1元，13．0716个月可收回改造费用；如减除损坏电机正常维修费用4398．565元，则6．347个月可收回改造费用。从投入产出比上看，常规电机改为双功率电机比改永磁同步电机回收期提前1年。因此建议在维修损坏电机时应尽量改为双功率一体化，同时结合节能方案进一步加大常规电机改为双功率一体化的规模。5结语(1)目前在用的一体化节能拖动装置由于控制系统的原因，没有实现功率间的自动转换，导致节能电机仍在单功率的运行状态下，没有实现真正意义上的节能。(2)节能电机依据抽油机负载实现逐级匹配时，必须要作到理论计算结果与实际生产情况的结合，追求其最佳匹配效果。(3)常规电机在节能改造中应追求经济、高效、实用的原则。