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油田抽油机电机星三角功率转换节能浅析

发表时间：2020/7/3 来源：《基层建设》2020年第6期作者：张林山田胜王军

[导读] 摘要：抽油机在选配电机功率时，由于抽油机启动特性及油井多变工况的要求，均留有一定的功率余量，对于稠油热采井大部分抽油机的负载率在15～45%之间，最高也不会超过40%，因此造成抽油机电机运行功率因数仅为0.3左右，甚至更低，无功损耗较大，将负载较轻的抽油机电机三角型改星型连接，可有效提高电动机负载率，降低电机自身损耗和供配电损耗，达到节电降耗的目的。

        中石化河南油田 474750
        摘要：抽油机在选配电机功率时，由于抽油机启动特性及油井多变工况的要求，均留有一定的功率余量，对于稠油热采井大部分抽油机的负载率在15～45%之间，最高也不会超过40%，因此造成抽油机电机运行功率因数仅为0.3左右，甚至更低，无功损耗较大，将负载较轻的抽油机电机三角型改星型连接，可有效提高电动机负载率，降低电机自身损耗和供配电损耗，达到节电降耗的目的。
        关键词：电机；三角改星型；节电
        一、井楼油田抽油机运行现状
        河南油田热采井具有“浅、薄、稠、松、散、小”的特点，由于油藏埋深较浅，抽油机大多为四抽和五抽，其电机功率配备为15kW、18.5kW和22kW不等，60%的油井负载率仅为20%左右，其运行功率因数只有0.3左右，电机本身无功电流大，自身损耗大，虽然绝大多数油井实现了集中补偿，但是就地功率因数太低，影响到油井供电电缆无功电流较大，线损增加。
        二、影响抽油机电机功率因数的主要因素
        （一）抽油机对功率因数的影响
        井楼油田使用的抽油机均为游梁式抽油机，具有结构简单、制造容易、可靠性高、工作持久、适应工况条件好等优点，但游梁式抽油机也存在不足之处，如效率低下、用电成本较高。引起游梁式抽油机电机负载效率低的原因主要有以下几个方面[1]:一是游梁式抽油机的电机是带负载起动，因此起动时所需的起动电流很大，功率因数很低。二是游梁式抽油机的输出功率是周期性变化的，在选择电动机时，为了保证不超过允许的温度，电机的额定电流需要取电机运行过程中的最大值，相应地，对电动机额定功率的需求也就越高。三是要准确地选取一台抽油机的驱动电动机容量，需要测量大量数据，往往很难做到，大多数情况下都采用估算的方法来选择配套电机的功率，一般留有较大余量。
        （二）油井工况变化功率因数的影响
        稠油蒸汽吞吐开采主要特征是：采油速度、采收率较高；周期峰值产量高，递减快，随着吞吐周期增加，日产油量及油汽比迅速下降；同一周期内，初期含水高，下降快，随着周期数增加，综合含水上升快,周期产油量及油汽比随着油层厚度增加而增加[2]，众多的变化因素造成抽油机负载忽高忽低，电动机的平均负载率只有15%～45%，抽油机负载是变化极大的连续周期性负载，使得稠油集控配电总运行负载也同样成为周期性变化负载，只是其波动范围小于单井，其波动范围为5%～15%左右。即便是高效能电机，由于其安装在抽油机这一特殊的负载上，电动机长期在低负荷下运行，通常情况下电动机的功率因数一般只有0.3左右，甚至更低。
        三、星三角电机绕组的接线方式
        （一）电机三角型连接
        三相电路中，对称三相电压源是依次相连的，相位超前的电压源负极性端与相位滞后的电压源正极性端相连，三相电压源形成回路，然后从三个连接点引出接线，这就是三角型连接方式，也可称为△连接方式。
        电动机在正常工作时，定子三相绕组是△接法，这样每相绕组承受380V的线电压，电动机可产生额定的输出机械功率。图1是电机三角型接法，电机的三相绕组的头与尾分别连接，没有中性点，这时线电压等于相电压，线电流等于相电流的约1.73倍，电动机三角接法的功率较大，适合游梁式抽油机启动特性。
        (二) 电机星型连接
        三相电机的星型连接就是三个末端连接在一起引出中性线，由三个首端引出三根火线。三相电压源的正极性端A、B、C引出，以便与负载相连。这就是星型连接方式，或称Y形连接方式。
        电动机在正常工作时，定子三相绕组是Y接法，这样每相绕组承受220V的线电压，电动机可产生较低的输出机械功率。图2是电机星型接法，电机的三相绕组的三根尾连接在一起，三根头接电源，有中性点，这时线电压等于相电压的约1.73倍，线电流等于相电流。电动机星型接法的功率较小，适合游梁式抽油机轻载运行。
        (三) 电机三角型连接与星型连接的关系
        三角型接法有助于提高电机功率，缺点是起动电流大，绕组承受电压（380V）高，增大了绝缘等级。星型接法有助于降低绕组承受电压（220V），降低启动电流，缺点是电机功率减小。通常小功率电机4kW以下的大部分采用星型接法，大于4kW的采用三角型接法。三角型接法的大功率电机（一般30kW以上）在轻载启动时采用Y-△启动，以降低启动电流，轻载是条件，因为Y接法转矩会变小，降低启动电流是目的，利用Y接法降低了启动电流。
        对于河南油田热采轻载油井，抽油机电机在三角型接法下，电机电流在20A～30A之间，电机的有功功率在2kW～5kW之间，无功功率在9～15kVar之间，功率因数在0.08～0.3之间，电机无功电流大，电机自身电能消耗过大。轻载油井在星型接发下，电机电流在6～10A之间，电机的有功功率在1kW～3kW之间，无功功率在4～10kVar之间，功率因数在0.2～0.4之间，电机无功电流小，电机自身能耗下降明显。
        四、抽油机电机星三角功率转换
        对于油田轻载运行的抽油机，具有三角型重载启动，星型轻载运行的特性，以往的抽油机星三角转换柜是以运行电流的变化为转换条件，但由于无功大电流的影响，出现转换电流值偏离有功电流平均值的假象，运用实测运行功率变化为转换条件，可较为准确地实行当负载小于额定负载三分之一时星型运转，大于三分之一是转换为三角型运转。实现了电动机的负载率合理匹配，有效提高了抽油机电机的运行功率因数，降低了电动机的励磁电流，从而降低电动机的铁耗和从电网吸收的无功功率，达到节能的目的。
        五、星三角功率转换技术应用实例
        河南油田2019年在井楼油田轻载油井安装星三角功率转换柜50台，电机功率为15kW或18.5kW三相异步电动机。经节能监测站抽样，对31口油井在相同工况下对星三角两种状态比测试，分别测得其平稳运行状况的电参数。
        （一）节能效果分析
        测试结果为：平均有功节电率为36.06%，平均综合节电率为43.08%，油井平均功率因数由原来的0.16提高到0.38以上，平均系统效率由原来的4.11%提高至6.31%，提高2.2个百分点。电机自身电流的下降和功率因数的提高使得油井配电电缆、变压器及高压配电线路的运行电流同样下降70%。
        安装的50口油井，电价按照0.7866元/度计算，单口油井的年运行时间按照330天，单口油井日耗电量按60度，全年节30万度，节约电费23.59万元。18.5kW星三角转换柜50台，投资25万元，1.06年可收回成本。
        （二）规模应用效果分析
        通过对31口轻载油井测试数据分析，筛选出同样额定功率18.5kW油井20口，统计分析轻载油井负载率与综合节电率的关系如图2。

                     图3 负载率与综合节电率关系
        六、结论
        对于抽油机电机负载率长期低于30%油井，将原有三角型接法通过功率转换控制改为星型接法，可以取得显著的节能效果。电机星三角功率转换既降低了电动机自身损耗，又提高了电机运行功率因数，减小了供配电运行电路，降低了网损。该节能技术能在井下载荷变化时自动转换为三角型接法，带动抽油机安全运行，性价比高，值得推广。
        参考文献
        [1] 王常斌，游梁式抽油机运动参数的精确解.石油学报，1998,19（2）:23-26