论文部分内容阅读
【摘要】原油开采最主要的设备之一就是游梁式抽油机。电能的损耗主要是由于配电系统的功率因数偏低，归根结底是因为抽油机驱动电机在实际运行中负载率和工作效率不高而导致的。对单台抽油机进行电容器的固定无功补偿是目前通常采用的一种节能方式。本文提出了动态无功补偿和进行Y—△转换相结合的节能方案，主要是针对传统无功补偿方式的缺陷，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，以此设计了动态跟踪的无功补偿装置，取得了较为理想的补偿效果。
【关键词】抽油机节能 设计 装置
1 引言
目前，应用最普遍的石油开采机械之一就是抽油机，它的主要作用是完成采油任务，将原油从井底提升到地面上来。游梁式抽油机，在抽油机的各种类型中，占重要地位，约占油井人工举升设备的95%，是油田使用最广泛的一种举升设备。此类设备是油田的耗电大户，其用电量约占油田总用电量的40%，占油田总用电量的比例非常高，且总体效率仅在30%左右，效率很低，浪费大量电能，采油的成本因此而提高。所以，本文重点就游梁式抽油机的节能作为研究方向进行探讨。目前我们通过游梁式抽油机的工作原理进行深入分析，研究可通过Y-△转换调节电机电压相和无功补偿结合的装置来提高了电机效率和功率因素，减小电机损耗，实现抽油机节能，减少了能源的浪费，这样降低了电费成本。
2 游粱式抽油机的节能总体设计思路
同时绝大部分的游梁式抽油机拖动装置都是交流三相异步电动机，其中鼠笼型异步电动机结构简单、惯量小、运行可靠、维修少、坚固、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分析，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
目前，缺少一种可靠性高，节能幅度大且成本低，又能提高原油产量的节能方法。针对目前实际现状，考虑到当前的工人的技术素质和管理水平以及现场环境条件，本次提出了一种Y—△转换调节电机电压并和以无功补偿为主相结合的节能装置，提高节能的可靠性，使得抽油机节能控制箱的使用和装配相对变得简单。
3.1 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P150 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。
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轉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。
3.2 无功补偿的节能原理及方案确定
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。
无功补偿的方法很多，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。在前面论述过，当前系统如果处于过补偿状态时，系统负载应为容性。如果过补偿容量在系统允许的范围内，那么当前电机的功率因数绝对值应该比期望的功率因数绝对值大，可以不采取任何措施；如果过补偿容量超出系统允许的范围内，那么当前电机的功率因数绝对值肯定比期望的功率因数绝对值小，此时，则应该切除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。如果需要进行电容补偿，那系统负载应处在感性时。不需要进行无功功率补偿的前提条件是当前功率因数值大于期望功率因数值；需要进行无功容量补偿，说明当前功率因数小于期望功率因数。
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。
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 结论与认识
通过对抽油机的负载特性较为详细的分析以及对游梁式抽油机节能和无功补偿进行深入研究，提出了以无功补偿为主并结合Y-△转换节能的控制策略，但仍有一些工作需要完善。
参考文献
[1] 萧南平.游梁抽油机节能新途径和节能蓄能器[J].石油机械，19 9 6，2 4（7 ）
【关键词】抽油机节能 设计 装置
1 引言
目前，应用最普遍的石油开采机械之一就是抽油机，它的主要作用是完成采油任务，将原油从井底提升到地面上来。游梁式抽油机，在抽油机的各种类型中，占重要地位，约占油井人工举升设备的95%，是油田使用最广泛的一种举升设备。此类设备是油田的耗电大户，其用电量约占油田总用电量的40%，占油田总用电量的比例非常高，且总体效率仅在30%左右，效率很低，浪费大量电能，采油的成本因此而提高。所以，本文重点就游梁式抽油机的节能作为研究方向进行探讨。目前我们通过游梁式抽油机的工作原理进行深入分析，研究可通过Y-△转换调节电机电压相和无功补偿结合的装置来提高了电机效率和功率因素，减小电机损耗，实现抽油机节能，减少了能源的浪费，这样降低了电费成本。
2 游粱式抽油机的节能总体设计思路
同时绝大部分的游梁式抽油机拖动装置都是交流三相异步电动机，其中鼠笼型异步电动机结构简单、惯量小、运行可靠、维修少、坚固、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分析，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
目前，缺少一种可靠性高，节能幅度大且成本低，又能提高原油产量的节能方法。针对目前实际现状，考虑到当前的工人的技术素质和管理水平以及现场环境条件，本次提出了一种Y—△转换调节电机电压并和以无功补偿为主相结合的节能装置，提高节能的可靠性，使得抽油机节能控制箱的使用和装配相对变得简单。
3.1 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P150 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。
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轉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。
3.2 无功补偿的节能原理及方案确定
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。
无功补偿的方法很多，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。在前面论述过，当前系统如果处于过补偿状态时，系统负载应为容性。如果过补偿容量在系统允许的范围内，那么当前电机的功率因数绝对值应该比期望的功率因数绝对值大，可以不采取任何措施；如果过补偿容量超出系统允许的范围内，那么当前电机的功率因数绝对值肯定比期望的功率因数绝对值小，此时，则应该切除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。如果需要进行电容补偿，那系统负载应处在感性时。不需要进行无功功率补偿的前提条件是当前功率因数值大于期望功率因数值；需要进行无功容量补偿，说明当前功率因数小于期望功率因数。
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。
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 结论与认识
通过对抽油机的负载特性较为详细的分析以及对游梁式抽油机节能和无功补偿进行深入研究，提出了以无功补偿为主并结合Y-△转换节能的控制策略，但仍有一些工作需要完善。
参考文献
[1] 萧南平.游梁抽油机节能新途径和节能蓄能器[J].石油机械，19 9 6，2 4（7 ）