游梁式抽油机电动机综合节能的理论及途径

1、! 专题研究 #游梁式抽油机电动机综合节能的理论及途径 戴广平 (北京燕山石油化工公司高新电气公司 刘晓芳 崔学深 沈金波 张建华 罗应立(华北电力大学 摘要 在考虑感应电动机等效电路参数非线性的基础上 ,无功综合节能的机理和途径 。 ,电压之间的关系 。 进而通过磁路分析 , , 以及 铁耗 、 、 电容 器动态补偿节能 2, 并以可控硅自动投切电容器 为实例 , 关键词 游梁式抽油机 感应电动机 非线性关系 节能抽油机电动机的综合节能关于抽油机电动机的运行工况及节能机理 , 在 以往文献中已有较多论述 , 从不同的角度提出了诸 如超高转差率电动机节能 、晶闸管调压节能 、星 2角动态切换节

2、能以及变频调速节能等大量节能途 径 16, 取得了一定的成果 。为了进一步提高游梁式抽油机节能效果 , 为探 寻新的节能途径提供理论依据 , 并找出在实际生产 中可以推广应用的措施 , 笔者在考虑感应电动机等 效电路参数非线性的基础上 , 研究游梁式抽油机电 动机有功及无功综合节能的机理和途径 。 首先研究 在不同工况下感应电势与端电压之间的关系 ; 进而 通过磁路分析 , 研究了等效电路参数与感应电势之 间的非线性关系 ; 最后在计及参数非线性的基础 上 , 分析了几种节能途径 , 重点介绍了在电动机的 出线端通过可控硅自动投切电容器 , 不但可以节省 无功功率 , 而且可以减少转子损耗及增

3、加发电机工 况所发出的有功功率 。 从而达到节省无功功率和节 省有功功率双重的效果 。抽油机电动机激磁电势的变化范围11电气原理图图 1是抽油机电动机及其供电回路的典型电气 原理图 。图中 R e 和 X e 代表线路阻抗 , R 1、 R 2、 X 1、 X 2、 R m 、 X m 代表感应电动机的参数 , 可变 电容 C 代表用低压 TSC 实现的动态补偿电容器 。 图中参数的典型数值为 R 1=0115; X 1=016; R 2=016; X 2=016; R m =515; X m =16; C =200F ; 电动机额定容量 P2=45kW 。图 1 抽油机电动机典型电气原理图2

4、1无补偿电容时相量图及激磁电势(1 假设激磁电势相同时的相量图 图 2a 、 b 与 c 分别代表无电容器补偿时电动机工况 、发电机 工况及 (有功 零输入状态的典型电压相量图 。 为便于比较 , 图 2中的电压相量图是在假定 3 72004年 第 32卷 第 2期石 油 机 械CHINA PETROL EUM MACHIN ER Y戴广平 , 高级工程师 , 生于 1945年 , 1970年毕业于清华大学水电工程系 , 现从事电气控制和节能技术的研究开发工作。地址 : (100070 北京市房山区。 电话 :(010 83681356。(收稿日期 :2003-04-24; 修改稿收到日期 :

5、2003-08-22个工况下激磁电势相等的前提下得到的 。其中图2a 与 b 则进一步假定 2种工况下转差率的绝对值 相等 。因为假定激磁电势相等 , 所以在 3种工况下 , 励磁电流的有功分量是相等的 , 无功分量也是相等 的 ; 因为发电机与电动机工况转差率的绝对值相等 , 所以转子回路电阻相等 , 对应的转子电流的大小相 等。 又因为在电动机与发电机工况转子支路电流的 有功分量相位相反 (图 2a 、 b , 所以 , 在这 2种工 况下定子电流互不相等 , 定子端电压也不相等。图 2 无补偿电容时的典型相量图从图 2c 可以看出 , 定子电流和端电压相量之间的夹角可以达到 90

6、6;, 所以 , 在该工况下电网向 电动机输入的有功功率为零 , 仅提供无功功率 。 这 就是有功功率的零输入工况 。 显然 , 此时电动机本 身的定子铜耗与铁耗仍然存在 , 它们由转子支路提 供 。 可见 , 在电动机的损耗不能忽略的情况下 , 有 功零输入工况并非传统意义上的转速等于同步转速 的理想空载工况 , 而是异步发电机工况 , 其转速高 于同步转速 。(2 端电压相同时的电压相量图 在假设端电 压不变的情况下 , 在从电动机重载工况逐步过渡到 发电机重载工况时 , 可得到图 3所示的示意性电压 相量图 。显然 , 发电机工况下的激磁电势 (图中 E 1, 4 明显大于电动机工况的值

7、 (图中 E 1, 1 。在 发电机工况 , 激磁电势可以略大于定子端电压 , 而 在电动机工况则总是明显小于定子端电压 。图 3 给定端电压时的近似电压相量图(3 激磁电势与电源电压的关系 图 3所反映的激磁电势与端电压之间的关系 , 同样可以用来描 述激磁电势与电源电压 (注 :指线路电压 , 即变压 器副边电压 , 以下同 之间的关系。 用电机学中常 用的电压变化率的公式可以说明这种关系 , 即U =I (R cos <+X sin < (1 式中 , U =(U L -E 1 /U L 是电压变化率 ,而 I 、 R 与 X 分别是电流 、 定子及线路电阻与电抗的标幺值 。

8、在电动机工况下由于 cos <与 sin <均为正值 , 所以 U 恒为正 。 , 由于 cos <为负 , , b 、 c 分别代表有补偿电容器时 3种工 况下的典型相量图 。 现在进一步分析激磁电势与电 源电压的关系 。图 4 有补偿电容时的典型相量图首先分析激磁电势 E 1与端电压 U 1之间的关 系 。 将图 1与图 2、 图 4对比 可以看出 , 无论补偿 电容是否存在 , 激磁电势与电动机线端电压之间的 关系是不变的 :在不同工况下 , 激磁电势可以大于或小于定子端电压 。再分析电动机端电压 U 1与电源电压 U L 的关 系 。 为此 , 只需将公式 (1 中的

9、 I 、 R 与 X 分别用 I L 、 R L 与 X L 代替即可 。显然 , 当容抗相对于感抗为不同数值时 , 在不同工况下 , U 1有可能大于 、 8 石 油 机 械 2004年 第 32卷 第 2期小于或等于 U L 。图 4a 、 b 、 c 是对应相量图的实 例 。 显然 , 从定性分析的角度可以看出 , 对于抽油 机的不同运行工况及不同大小的补偿电容 , 电动机 的激磁电势既可以小于电源电压 , 也可以大于电源 电压 。41激磁电势变化范围的数值算例图 5表示某 45kW 实例抽油机电动机激磁电势随工况变化的情况 。 该电动机在重载时的转差率 S 接近 0108, 发电机重载

10、时接近 -0104。图 5是 在假定电源电压为 400V 无补偿电容的情况下得到 的 。 显然 , 激磁电势变化范围很大 。图 5 不同工况下的激磁电势 (电源电压 400V 考虑非线性时的能量传输及损耗11不同激磁电势下电路参数的变化当激磁电势变化时 , 随着饱和情况的变化 , 电路的参数 R m 、 X m 会发生明显变化 。 表 1是根据电 动机的磁化曲线通过详细的磁路分析得到的图 1中 的 R m 、 X m 与激磁电势之间的非线性关系 。可以 看出 , 激磁电势增大时 , R m 、 X m 明显减小 , 这就 是电动机参数的非线性现象 。表 1 不同激磁电势下的参数E /VX m

11、/R m /220221489861642602211863415130021161551122340201585291363801912953513442017126553188 21铁耗及无功功率考虑到Q m =2X m(2 P Fe =2R m(3 可以看出 , 激磁电势的增大与相应的 R m 、X m 的减小都使无功消耗 Q m 及铁耗 P Fe 随电势增大 而急剧地增大 。这说明发电机工况下的铁耗及无功功率将会十分显著地大于电动机工况的相应数值 。以上述 45kW 电动机为例 , 表 2列出不同激磁电势下的无功 功率 。 可以看出 , 在这个算例中 , 在发电机重载工 况所需无功功率

12、 (3017kvar 接近电动机重载工 况所需无功功率 (1619kvar 的 2倍 。表 2 不同激磁电势下的无功功率E /V 220340380420Q /kvar615161922153017 31转差率及转子铜耗由图 1容易得到电磁转矩T em =2S2 22S(4 。S =2T em ±242T 22-4R 22X 222X 22(5 其中“ +”用于发电机工况 ; “ -”用于电动 机工况 。根据式 (5 进行的实际计算表明 , 对于一定 大小的电磁转矩 , 在电动机及发电机正常运行区 间 , 当激磁电势较大时 , 相应的 S 则较小 。考虑 到转子铜耗P Cu2=T e

13、m S(6 所以 , 当激磁电势较大时 , 转子铜耗较小 。抽油机电动机综合节能的讨论11调压节能因为驱动力矩与激磁电势的平方成正比 , 同时 无功消耗 Q m 及铁耗 P Fe 随电势增大而急剧地增大 。 所以 , 比较理想的方案是 , 在一个工作循环中 , 当载荷转矩较大时 , 则施加较大的电压 , 而当载荷转 矩较小时 , 则施加较小的电压 。这里的关键是要合理选择电压的大小 , 以便使 铁心损耗和转子铜耗总体上最小 。 这是因为 , 对于一定的负载转矩而言 , 施加较高的电压 , 则转子铜 耗小 , 但与此同时铁耗却会相应地增大 , 反之 , 铁 耗小 , 但转差率大 , 则转子铜耗大

14、 。21电容器动态补偿节能(1 电容器动态无功补偿的必要性 考虑到在电源电压一定的情况下 , 不同运行工况 、 不同负载 下的激磁电势会有明显差别 , 而激化支路所需的无 功又随激磁电势的增大而急剧增大 , 所以 , 为在不9 2004年 第 32卷 第 2期 戴广平等 :游梁式抽油机电动机综合节能的理论及途径 同运行工况 、 不同负载下有效补偿无功 , 采用电容器动态补偿是很有必要的 。(2 采用电容器动态补偿后节能机理 采用电 容器补偿后 , 电动机的无功实现了就地平衡 , 不需 要馈电线路传输无功功率 , 可以使线路损耗大大减 少 。 在馈 电 线 路 较 长 的 情 况 下 , 节 能

15、 效 果 尤 为 显著 。除了减少线路消耗之外 , 并联电容后使线路压 降减小 , 从而使激磁电势增大 , 也可带来节能效 果 。 这是因为在一定负载转矩下 , 激磁电势增大 , 使转差率变小 , 从而降低了转子铜耗 。 虽然激磁电 势的增加使铁耗有所增加 , 但是 , 大量计算表明 , 总的效果是转子铜耗降低更明显 , 从而带来节能效 果 。 这种节能效果使电动机工况输入功率减小 , 而 发电机工况发出的功率增大 。31采用星 2采用星 26星形与三角形接法时 , 在计及非线性的情况下 , 电 动机总损耗随负载变化情况 。图 6 星 2三角接法总损耗与输出功率的关系图 6中的实线代表星形接法

16、 , 虚线代表三角形 接法 。 可以看出 , 两曲线的交点可作为初步选择的 切换点 。 在交点右侧 , 为大功率区域 , 如果采用星 接 , 则转差率及转子铜耗随负载增加而迅速增大 , 使总损耗显著超过角接的总损耗 。 所以 , 交点的右 侧宜采用角接 。 左侧为小功率区域 , 无论采用那种 接法 , 转差率及转子铜耗都较小 , 在总损耗中 , 铁 耗是主要的 , 而采用星接时的铁耗小于角接铁耗的 . , 所以 , 该区域采用星接 。 如果根据井况 , 需考 虑适当采用高转差率运行 , 可以对初步选择的结果进行适当修正 。41电容器动态投切的某些测试结果根据上述原理设计制作的可控硅投切的无功动

17、 态补偿装置 , 在大庆油田及中原油田的多个不同类 型油井进行了实际使用测试 。测试采用 FL U KE43进行 。 在变压器出线端测试结果表明 , 有功节电率 一般在 12%20%, 部分馈电线路长的油井 , 节 电率达到 20%30%。在电动机出线端测得的有 功节电率一般在 3%6%。结 , 在游梁式抽油进一步研究了等效电路参数与 , 说明电动机参数存在不容忽 视的非线性现象 。(2 在考虑参数非线性时 , 发电机工况的无功 与铁耗显著大于电动机工况的对应数值 。(3 在考虑参数非线性的条件下 , 研究了电容 动态补偿等方案的综合节能机理 。 采用可控硅动态 投切电容器 , 不但可以显著减

18、小各种工况下的无功 消耗 , 而且可以在重载及发电机工况显著减小转子 铜耗 , 从而获得综合节能效果 。参 考 文 献1 项复兴 1大转差率电动机在抽油机上的应用 1石油机械 , 1986, 14(4 :29372 刘沪雄 1有杆泵抽油系统的电动机节能途径 1石油机械 , 1992, 20(5 :27293 王爱霞 , 朱传琴 , 闫敬东等 1电动机 -Y 切换技术及在抽油机上的应用 1电工技术杂志 , 2000, (34 Guffey C G , Rogers J D 1Field Testing of Variable -SpeedBeam -Pump Computer Control ,

19、 1991SPE5 龚元明 , 萧德云 , 胡郁乐等 1抽油机智能控制系统的设计与实现 1石油机械 , 2001, 29(1 :2526, 316 白连平 , 马文忠 , 杨 艳等 1关于游梁式抽油机用电动机节能的讨论 1石油机械 , 1999, 27(3 :4144(本文编辑 李学富 科 学 开 发 石 油 资 源 , 创 造 绿 色 动 力 世 界 01 石 油 机 械 2004年 第 32卷 第 2期ABSTRACTS OF SE L ECTED ARTICL ES Zhao Lixin (Harbin Institute of Technology , Harbin , Jiang M

20、inghu , A. B elaidi , et al. Pressure characteristics study of hydrocyclone with free gas in 2 jection. CPM , 2004, 32(2 :14With focus on a solid -liquid hydrocyclone , ef 2 fects of both geometric parameters and operating pa 2 rameters on pressure characteristics are studied , results of pressure w

21、hen with free gas injection are obtained , and at last the energy dissipation is analyzed. The re 2 sults show that with gas injection , the pressure drop values of both overflow and underflow increase simul 2 taneously. Pressure drop ratio (PDR decreases with the rise of flowrate when without gas ,

22、 but keeps nearly constant when with gas injection. With theswirl number , pressure drop 2 clines. With the rise -increases constant when with gasK ey w ords :hydrocyclone , separation characteris 2 tic ,pressure characteristic , experimental researchXing Zhixiang (College of U rban Const ruction an

23、d saf ety &Envi ronmental Engi neeri ng , N anji ng U niversity of Technology , N anji ng , Jiang J uncheng. Experimental research of mechanical prop 2 erties of 16Mn R steel at hightemperature. CPM , 2004, 32(2 :56, 14The liquefied petroleum gas (L P G storage tanks used in China are mostly mad

24、e of 16MnR steel. To study the influence of fire on the tanks , the mechanical properties of 16MnR steel at high temperature is inves 2 tigated. The law of variation of performance indexes of 16MnR steel at a temperature of less than 600 are obtained. The test data include stress -strain curve , yie

25、ld strength , tensile strength , elongation and mod 2 ules of elasticity , which are used for analyzing the crit 2 ical pressure of the storage tank failure. The test result shows that , the strength and elongation of 16MnR steel at high temperature decrease obviously , and its yield strength , limi

26、t strength and modules of elasticity are only 20%30%of that at normal temperature , and the elongation is 43%, while the explosion pres 2 sure of the storage tank is only 1/4of that at normal temperature.K ey w ords :high temperature , 16MnR steel , me 2 chanical property , L P G storage tank , expe

27、rimental re 2 searchDai Guangping (Beiji ng Y anhua Hitech Elect ricCom pany , Beiji ng , Liu Xiaofang , Cui Xueshen , et al. The theory and method of synthetic energy saving for beam pumping units. CPM , 2004, 32(2 :710 The theory and method of synthetic energy saving for beam pumping untis is inve

28、stigated based on a con 2 sideration of the nonlinear parameters of the induction motor. Firstly , the relationship between the induced electromotive force (EMF and the terminal voltage under different operation conditions is worked out with the phasor graph of the induction motor. Then , the nonlin

29、ear relationship between of equiv 2 alent by analyzing the , between the iron slip is analyzed as well. the SCR switching capacitor as example , the methods for power saving of beam pumping units are presented.K ey words :beam pumping unit , induction mo 2 tor ,nonlinear relationship , power savingD

30、ong Shirnin (Mechanical Engi neeri ng College of Y anshan U niversity , Qi nhuangdao City , Hebei Provi nce , Feng K e. R esearch on the mechanical causes of the rod string and tubing w ear of rod -pumped w ells in w ater controlledf ields. CPM , 2004, 32(2 :1114The mechanical model of the rod string and tubing wear of rod -pumped wells is established. The calcu 2 lating formula of critical axial load of rod stringand tubing wear is presented ,and the simu