抽油机的节能探讨

游梁式抽油机的节能探讨 来源:www.zdlunwen.com 　 　　摘要：游梁式抽油机是原油开采最主要的设备之一。由于其驱动电机在实际运行中负载率和工作效率不高，致使油区配电系统的功率因数偏低，增加了电能的损耗。目前普遍采用的节能方式是对单台抽油机进行电容器的固定无功补偿。针对传统无功补偿方式的缺陷，本次设计提出提出了动态无功补偿和进行Y—△转换相结合的节能，设计了动态跟踪的无功补偿装置，利用实时检测得到的系统负载率以及无功需求量来控制电容器的分组投切，实现了无功功率的“按需”补偿，取得了较为理想的补偿效果。 　　 　　关键词：抽油机；节能；控制器 　　 　　1 引言 　　 　　目前，抽油机是应用最普遍的石油开采机械之一，它将石油从地底提升到地面上来，从而完成采油任务。在抽油机的各种类型中，游梁式抽油机又占主要的地位，它是油田使用最广泛的一种举升设备，约占油井人工举升设备的95％[1]。虽然游梁式抽油机与无游梁式抽油机相比有很多弊端，但是由于数量多、采油成本较低等原因，游梁式抽油机在一段时期内还会占据抽油机市场的主导地位。所以，本次就以游梁式抽油机的节能作为研究的方向。 　　抽油机作为油田的主要生产设备，其驱动电机用电量占油田总用电量的比例很大，是油田的耗电大户，其用电量约占油田总用电量的40％，且总体效率很低（据有关调查一般效率在30％左右），导致了电能的大量浪费，提高了采油的成本。 　　综上所述，我们找到了抽油机节能设计的突破口，可以通过无功补偿和Y-△转换调节电机电压相结合的装置来实现抽油机的节能。这样提高了电机效率和功率因素，减小电机损耗，降低了电费成本，减少了能源的浪费[2]。 　　 2 工作原理和设计思路 　　 　　2.1 游粱式抽油机工作原理 　　 　　游梁式抽油机的类型很多，但其基本结构和工作原理是基本相同的。这类抽油机主要由游粱一连杆一曲柄机构、减速装置、动力设备和辅助装置等四大部分组成.游梁式抽油机的工作原理：电动机将其高速旋转运动传递给减速箱的输入轴，并经中间轴带动输出轴，输出轴带动曲柄作低速旋转运动。同时，曲柄通过连杆经横梁拉着游梁后端上下摆动(或者是连杆直接拉着游梁后端)。游梁前端装有驴头，活塞、液柱及抽油杆等载荷均通过悬绳器悬挂在驴头上，由于驴头随同游梁一起上下的摆动，结果驴头带动活塞作上下的垂直往复运动，就将油抽出井筒[3]。 　　 　　2.2 总体设计思路 　　 　　游梁式抽油机占据了抽油机市场的主导地位，故本文的研究主要是针对游梁式抽油机。 　　同时游梁式抽油机的拖动装置绝大部分是交流三相异步电动机，其中鼠笼型异步电动机结构简单、坚固、惯量小、运行可靠、维修少、制造成本低及可应用于恶劣工作环境等优点，使其作为油梁式抽油机动力驱动装置，得到了广泛的应用。由于抽油机在工作时负荷匹配不合理，大多数电机处于轻载状态，造成大量的电能浪费，系统效率低下。因此，本文采用了一种以无功补偿为主，并和Y 一△转换调节电机电压相结合的装置来实现抽油机的节能。通过对抽油机工作时的负载率的，确定电机是否处于重载状态，实现了电机在启动时和高负载时功率因素的提高；同时通过补偿电容器组的投切来实现无功补偿，从而达到抽油机的节能。 　　 　　3 游粱式抽油机的节能设计 　　 　　针对目前的节能方案，考虑到当前油田的管理水平和工人的技术素质以及现场环境和员条件，缺少一种成本低，可靠性高，节能幅度大，又能提高原油产量的节能方法。因此，针对上述这些情况，本次提出了一种以无功补偿为主，并和Y—△转换调节电机电压相结合的节能装置，使得抽油机节能控制箱的装配和使用尽量的简单，并具有较高的可靠性。 　　 　　3.1 Y—△转换调压控制和无功补偿节能的原理 　　 　　3.1.1 Y—△转换调压的节能原理 　　 　　由于三相异步电动机的总损耗为：ΣP=P1-P2=Pfe+Pcu1+Pcu2+Pmac+Pad，其中，P为输入电功率，P2为电机轴输出功率。Pcu1为定子铜损耗， 2 2Pcu1 = 3I1 R1 式中I1为定子每相电流，R1为定子每相电阻值；Pcu2为转子铜损耗， 2 2Pcu2 = 3I′2 R′2 式中I′2、R′2为转子每相的折算值；Pfe为电机的铁芯损耗： 2fe mP =P1 50（ f ）β B50，式中P1 50 为铁耗系数，其值范围为1.05~2.50； β 为频率指数，随硅钢片的含硅量而异，其值范围1.20~1.60；f 为磁通交变频率；Bm为铁芯中磁通密度；Pmac为机械损耗。通常认为其是大小不变的常量。由于Bm∞φ m∞E1 ≈ U1，可知铁损耗Pfe正比于电机端电压的平方[4]。 　　Pad为附加损耗，主要由于定、转子有齿槽存在，当电机旋转时磁通发生脉振而在定转子铁芯中产生附加损耗，其大小也与磁通密度大小成正比。 　　从上述可以看出，若要提高电机的运行效率η ，则必须降低ΣP。而降低电机端电压可以使铁损耗大为降低，降低电机线电流，则可减少铜耗，从而使效率η 增加。 　　电动机转入Y 接状态运行时，定子相电流降低，定子铜耗Pcu1和转子铜耗Pcu2也相应降低。同时，Bm∞φ m∞E1 ≈ U1，随着U1下降，Bm减少，使得铁耗Pfe和附加损耗Pad也相应降低，所以总损耗ΣP下降。而电机从电网输入的电功率P1=ΣP + P2 ，转轴上所带负载没变，即输出功率P2没变，但ΣP减少，使得从电网吸取的有功功率P1减少，电机效率η = P2 P1得以提高，星形及三角形接法运行时的效率特性如图3.1 所示。出图3.1 可得，当电动机的负载率β 小于40％时，η Y>η在不考虑电机铁芯磁路饱和时，磁通与输入电压成正比，当换接运行后U1下降为原来的1 3 ，磁通也降为原来的1 3 。电机设计时，与额定电压对应的磁路通常处于饱和状态，所以线电压降低，磁通减少，铁芯饱和程度降低。磁通以及饱和程度降低，使产生磁通的激中国科技论文在线磁无功电流减少，因而换接后的激磁电流比三角形连接时的1/3 还要低一些。激磁电流的降低，使电机向电网吸取的空载无功功率Q0减少，由功率三角形可知，无功功率Q减少，P值一定时，功率因数角? 减小，功率因数cos? 增大。同时，电动机在Y 形连接和△形连接时的功率因数与负载率β 的关系曲线如图3.2 所示。可见，当β <70%的时候，Y 形连接的功率因数明显高于△形连接时的功率因数。 　　 　　3.1.2 无功补偿的节能原理 　　 　　游梁式抽油机的异步电机可看作电阻R 与电感L 串联的电路并联电容后电压U与I的相位差变小了，即供电回路的功率因数提高了。此时供电电流I的相位滞后于电压U,这种情况称为欠补偿。电容 C 的容量过大，使得电流I的相位超前于电压U，这种情况称作过补偿，此时会引起变压器二次电压升高，而且容性无功功率在线路上传输也会增加电能损耗。同时电压升高还会增大电容器本身的功率损耗，使温度上升，影响电容器的寿命。对电机进行无功补偿，可以大大减少起动电流和运行电流，减少损耗，并且相关电气设备温度降低、噪音减少，可以延长电动机的使用寿命[5]。 　　 　　3.2 本次设计节能装置的实施 　　 　　3.2.1 Y—△转换调压控制的方案电动机 Y 一△接法转换，就是根据电动机负载变化的情况，用改变绕组接线的方式来调整绕组电压。判断电动机负载变化的为负载率。负载率是指电机的实际输出功率与其额定功率之比，也称负载系数，通常以百分比示. 　　 　　3.1 给出了不同电机的临界负载率：Y 形接线和△形接线电机损耗相同的负载率就是临界负载率。通过绘制各台电机不同接法时的损耗与负载率的关系曲线，找出其交点，即为临界负载率的切换点。同时可用经验公式求出电机在工作下的负载率。计算电机负载率有两种方法，一种是功率法，一种是电流法。 　　在功率法测负载率中，首先测量电机的输入功率P1，再由公式计算出电机的输出功率P2，之后就可以求出负载率。公式如下： 　　P2 = P1? P0 ? PR （10） 　　2PR = PRN(P2 P2N) （11） 　　 　　其中，P2为输出功率，P1为电机的输入功率，P0为不变损耗，额定电压时为P0N ，PR可变损耗，额定运行状态下为PRN 。由于在用功率法测量负载率的方法中计算比较麻烦，因此功率法较为少用。在电流法测负载率中，先测量电机的输入电流I，之后计算出电机的负载率。通过上面的论述，在知道了电机临界负载率以及通过检测电流求出实际运行时电机的负载率后，就可以通过比较来决定Y 一△的转换时刻。当电机的实际负载率大子临界负载率，即β >β k 的时候，电机接成△形接法；当实际负载率小于临界负载率，即β < β k 的时候，电机接成Y 形接法。这种方法适合于定子绕组△形连接，有6 个接线柱，且适合于长期轻载运行或重载一轻载交替运行的电动机。它既可节约电能，又可改善电网的功率因数。但是由于电机转换频繁进行容易使触点损坏，因此为了减少转换频率一般在转换点的负载率之间设置一定的回差ε ，通常采用负载率β < β k 一ε 时进行△-Y转换，而当β > β k +ε ，进行Y—△转换，这可以通过软件的设置进行变换。 　　 　　3.2.2 无功补偿的方案确定 　　 　　无功补偿的方法是多种多样的，本次设计是从提高功率因数的方面来确定是否需要进行补偿。在抽油机日常工作中，节能控制器采用功率因数控制的方式工作，根据功率因数要求确定补偿容量。首先节能控制器可以判断功率因数的符号，以确定当前系统中的负载特性为感性还是容性，并根据是否过补偿以及和期望补偿后系统功率因数值进行计算比较，从而可以确定是否投切电容。 　　在前面论述过，当系统负载为容性时，说明可能当前系统处于过补偿状态。如果当前电机的功率因数绝对值比期望的功率因数绝对值大，说明过补偿容量在系统允许的范围内，可以不采取任何动作；如果当前电机的功率因数绝对值比期望的功率因数绝对值小，说明过补偿容量超出系统允许的范围内，则应该切除部分电容即当前补偿的电容与系统达到理想的功率因数为1 的运行状态时相比多补偿的容量[6]。 　　当系统负载为感性时，说明当前可能需要进行电容补偿。如果当前功率因数值大于期望功率因数值，则不需要进行无功功率补偿；若当前功率因数小于期望功率因数时，说明需要进行无功容量补偿。如果抽油机电机的有功功率实测值为P1，补偿前的功率因数为cos? 1， 补偿后的功率因数为cos? 2，则补偿容量可用下述公式计算：Qc = P1(tan?1 ? tan? 2) （14）由此可以将Qc与当前补偿电容容量计算比较，从而确定该补偿或切除的电容量。 　　在抽油机正常工作状态下，会遇到大量的干扰，容易造成控节能制器频繁发出补偿与切除电容的指令。因此，为了避免电容的频繁投切而产生投切震荡，可以使控制器在软件上采取连续多次计算结果取平均值的方法来避免电容的频繁投切。具体方法如下： 　　首先确定一个负载率的上限基础值，使得节能控制器发现负载率大于此值后执行补偿程序，若实际负载率小于此值后，则不执行补偿程序，因此可以认为这个负载率的基础值为执行补偿程序的起点；其次，在确定实际负载率大于设定值后启动补偿程序，连续进行5 至10 次的测量计算，求得的平均值作为电容投切的指令；最后，不仅要关注实际负载率大于上限设定值，而且还要关注实际负载率小于下限设定值时的情况。若实际负载率小于下限设定值时，节能控制器要检测系统是否处于过补偿状态，在这种情况下可以适当切除电容或者完全切除补偿电容，避免系统对电网的影响；另外，cos? 2的确定要适当，通常将功率因数从0.9 提高到1 所需的补偿容量与将功率因数从0.72 提高到0.9 所需的补偿容量相当。因此，在高功率因数下进行补偿其效益将显着下降。这是因为在高功率因数下，cos? 曲线的上升率变小，故而提高功率因数所需的补偿容量将要相应的增加。 　　通过上述两节的论述，介绍了游梁式抽油机节能装置的节能原理，并提出了Y—△转换控制和无功补偿相结合的节能方案，为接下来的硬件及软件设计做好了铺垫。 　　 　　4 结论与展望 　　 　　本文围绕游梁式抽油机节能和无功补偿进行研究，对抽油机的负载特性进行了较为详细的分析，对比其它的节能及补偿方式，提出了以无功补偿为主并结合Y-△转换节能的控制策略，最后根据这个思路就可以设计出游梁式抽油机节能装置的硬件和软件。 　　然而，本文虽然对抽油机无功补偿技术进行了论述和研究，提出了较为合理的控制策略，但仍有一些工作需要完善： 　　首先，补偿方案的控制策略和技术参数还需要进一步的优化；其次，补偿装置的可靠性、稳定性和抗干扰能力还需进一步的提高；最后，补偿装置的许多功能还需进一步的完善，在现有的硬件基础上实现更多的功能。 　　抽油机补偿技术是一项较为实用、涉及面广、针对性强的技术，需要在今后的学习中进行更多、更深入的研究和探讨。