游梁式抽油机井电机发电状态问题分析及治理

2014-12-08王竺梁健美侯志欣

中国设备工程 2014年7期

关键词：游梁口井相电流

王竺，梁健美，侯志欣

大庆油田有限责任公司第七采油厂，黑龙江大庆 163517

一、问题的提出

现场对游梁式抽油机井进行能耗监测时发现，测试电机的有功功率会出现周期性的负值，而此时三相电流仍显示为正值。利用机械式有功电能表进行测试，电能表会出现周期性的“反转”现象，由此判断这种负功功率是电机发电所致的。

从1#井测试一个冲程周期内的有功功率（图1）、三相电流和电压（图2）的变化曲线上看，电压恒定，有功功率分别在上、下冲程中出现了负值，说明该井存在电机发电状态，而此时的三项电流仍显示为正值。

从2#井测试3min的有功功率（图3）、三相电流和电压（图4）的变化曲线上看，电压恒定，有功功率在每个波形周期中都出现了负值，而三相电流仍显示为正值，测试该井的电流平衡率为90%左右，通过电流法测算，该井处于平衡状态。

2012年对葡萄花油田556口游梁式抽油机井进行了抽测（表1），其中有404口井存在负功功率，存在电机发电，占抽测井数的72.7%，平均单井负功功率0.45kW。

表1 游梁式抽油机井抽测情况统计

二、电机发电状态分析

产生负功功率的原因是由于游梁式抽油机井在重载状态下运行时，电机从电网汲取了过多的能量，这部分能量转化为旋转惯性能储存于平衡块中；当游梁式抽油机在轻载状态下时（图5和图6），平衡块将这部分能量释放出来，驱使电机转子的转速超过了电机旋转磁场的同步转速，电机转子产生了反向切割定子的磁力线，产生了反向制动电流，此时电机处于正向反馈制动状态，使机械能转换成电能，此时电动机就变成了1台发电机。

图1 1#井有功功率变化曲线

图2 1#井三相电流和电压变化曲线

图3 2#井有功功率变化曲线

图4 2#井三相电流和电压变化曲线

由于电机在游梁式抽油机的拖动下转速不定，所发电的频率和相位不能达到电网要求，从而会“污染”电网，造成电网供电不稳定，加重电网在无功功率上的负担，降低电网的功率因数。这种状态使电机处于空载运行，造成了电能的浪费，同时增加了电机的自身损耗，缩短了电机的使用寿命。

图5 电机正常运行状态

图6 电机产生制动状态

三、技术对策

目前，葡萄花油田针对电机发电状态的解决方案共有3种，具体技术的原理和效果如下。

1.功率随动数控拖动装置

功率随动数控拖动装置为变频控制技术的一种，该技术是通过提高电机旋转磁场的转速，让旋转磁场的转速≥电机转子的转速，在消除电机发电状态，降低电机无功损耗的同时，借助游梁式抽油机平衡块的惯性作用，降低抽油机负载对电机转矩的需求，从而降低电机的功率消耗。2011年现场应用50口井，跟踪对比电参数31口井（表2），平均单井负功功率由0.404kW降为0。

表2 电参数效果对比

2.超越离合器

图7 超越离合器

超越离合器的结构有点类似自行车的飞轮，主要由皮带轮和单向离合器两大部分组成。超越离合器（图7）安装在电机输出轴上，当从电机转子的转速超过电机旋转磁场转速时，超越离合器的棘爪自动分开，使皮带与电机传动系统形成瞬间的脱离，此时电机空载运行，曲柄、平衡块与抽油杆柱发生短暂的超越或加快；当电机转子的转速低于电机旋转磁场的转速时，超越离合器的棘爪啮合，使电机保持正常的传动状态。2009～2011年现场应用33口井，平均单井负功功率由0.631kW降为0（表3）。

表3 试验井能耗效果对比表

3.智能化多功能调速装置

智能化多功能调速装置属于变频调速装置，它是通过制动单元，将电机的发电状态消除的。制动单元全称为“变频器专用型能耗制动单元”或“变频器专用型能量回馈单元”，主要是将电机所产生的再生电能，通过制动电阻转换成热能散发出去，或者是将再生电流反馈回电路。2012年现场应用智能化多功能调速装置84口井，应用后（表4）平均单井有功节电率17.8%，无功节电率67.9%，综合节电率24.5%，负功功率由0.47kW降为0。