浅析开关磁阻电机调速系统在油田抽油机上的节能应用

浅析开关磁阻电机调速系统在油田抽油机上的节能应用
摘要：开关磁阻电机调速系统具有启动电流小、启动扭矩大、调速范围宽、可
频繁正反转、跟踪负载等特点。

在油田抽油机上应用可以解决“大马拉小车”的现象，节能效果显著，可以大幅度降低采油成本，减少能源浪费。

开关磁阻电动机
调速系统的批量应用必将带来油田抽油机节能和低碳应用的一场革命，是我国推
行节能降耗国策的必要举措。

关键词：开关磁阻电机调速系统；油田抽油机；节能
引言
抽油机是石油开采主要机械之一，也是油田耗电大户，其用电量约占油田总
用电量的40%，且总体效率低，据调查一般在30%左右。

油田抽油机负载是独具
特点的时变负载：有动、静负载特性之分。

起动初始状态要求拖动电机的起动力
矩是实际负载的3-4倍，甚至更大，起动力矩是抽油机选配电机的第一要素。

当
起动力矩适用时负载功率必然匹配不佳，运行负载功率都远小于与电机的额定功率，即所谓“大马拉小车”现象。

过剩的抽油机功率令抽油机的无功抽取时间增加，造成油井开采的电费成本居高不下，能源浪费十分严重。

开关磁阻电机调速系统具有低速下起动转矩大，无启动冲击电流；制动性能好，能实现电子制动；速度调节范围宽，电动机可以在低速下长期运行，可频繁
正反转，效率高，低速下节电50％等特点。

适合于稠油油藏、低渗透油藏油井要
求动力设备低速运行的特性，满足油井低冲次的需求。

1 开关磁阻电机简介
开关磁阻电机调速系统是继直流电机调速系统、变频调速系统之后的调速电机。

随着开关磁阻电机功率的不断增大，性能的不断稳定，近几年在国内很多行业，得到了非常广泛的应用，被传动领域专家称为继直流电机调速系统、变频调
速系统之后的第三代调速系统。

开关磁阻电机调速系统主要由开关磁阻电机（SRM）、操作电路系统、控制
电路系统和功率电路系统等组成。

下图示出了该系统的结构框图。

其电机部分由于是运用了磁阻最小原理，故称为磁阻电动机，又由于线圈电流通断、磁
通状态直接受开关控制，故称为开关磁阻电动机。

由机壳、定转子、电机轴和转子位置检测
器构成。

智能控制系统，是开关磁阻电机的大脑，它综合转子位置、速度和电流等反馈信息
及外部输入的命令，通过在线分析处理，决定控制策略，向功率变换器发出执行命令，控制
磁阻电机运行。

控制器由微控制器、数字逻辑电路及接口电路等构成。

2 开关磁阻电机调速系统在抽油机上应用主要有以下特点
2.1 开关磁阻电机调速系统具有高启动转矩低、启动电流的特性。

在抽油机启动时不存在
启动电流是额定电流5－7 倍的现象，对电网无冲击，启动转矩达到额定转矩的150%时，启
动电流仅为额定电流的30%。

2.2效率高，节能效果好，在所有的调速和功率范围内，开关磁阻电机调速系统整体效率
比其他交流异步电动机调速系统至少高 5%以上，在低速工作状态下其效率更加显著，相比之
下能够提高10%以上，节电效果非常明显。

2.3 采用开关磁阻电机调速系统后，抽油机可实现上、下行程自动识别，从而可调节抽油
机上、下行程的电机运行频率来改变抽油机上、下行程的运行速度。

亦可任意调节抽油机冲次，使抽油机的抽汲参数对不同油井而言更趋合理，当调节适当时，可提高泵的充满系数，
减少泵的漏失，从而提高泵效达到增产目的。

2.4当抽油机下行，负载性质变为位势负载时，开关磁阻电机调速系统本身的能耗制动功
能恰能适应其工况，更方便调节抽油机的转速，达到最佳的工作状态。

2.5由于开关磁阻电机本身结构的不同，转子无绕阻和鼠笼条，在高速运转时不变形，机
械强度和可靠性均高于其他类电机。

转子无永磁体，可允许较高的温升。

2.6可实现四象限运行，做到电网回馈。

2.7开关磁阻电机由于控制系统采用微电脑控制，可以通过485通讯实现电机的运程控制，便于油田数字化建设。

3 油田抽油机节能势在必行
游梁式抽油机是石油工业传统的采油方式之一，也是迄今位止在采油工程中占主导地位
的人工举升方式。

全国油田产液量的65%、产油量的75%是靠游梁式抽油机采出的。

所以抽
油机节能是全世界关注的问题，尤其是油价低于40美元/桶以后，对于我国来讲降低抽油机
井的能耗尤为重要。

目前我国有8万多口抽油机井，其能耗占油田总能耗的1/3左右，每年
机械采油耗电达（40—50）×10∧8kw.h。

油田在开发过程中，特别是开发时间较长的油田由
于井下供液不足等原因使得抽油泵不同程度地存在空抽或充满度不足的现象，这不仅造成抽
油设备的无效磨损，还降低了抽油机的运行效率，造成了电能的大量浪费。

以大庆油田为例，外围油田21598口油井，占全油田机采总井数的31.8%，产量低、能
耗高是其主要特点。

产液量占全油田5.6%，耗电占机采井总耗电的23.7%，吨液单耗是老区
的5.2倍，平均系统效率13.2%；日产液5t以下低产井已超过18000口，平均系统效率不足10%。

吉林油田全油田油井19573口，开井16193口，单井日产液6.3吨，日产油1.1吨；游梁式抽油机井占92%；平均系统效率为20.1％。

如何实现低产井高效举升，对整个油田综合
开发效益影响较大。

开关磁阻电机是一种新型调速电机。

在油量不能使抽油机设备满负荷运行时，采用开关
磁阻调速系统，将抽油机的冲次降低，调整到油量能满足的速度，使每一口油井都能根据油
量的多少设定速度。

这种方式既减少了向井下注水的频率，又能使各油井持续不断地抽油，
既节约了因注水所耗的电能，又省去了因不满负荷而多耗的电能，可称为是一种省时省力节
能高效的产品。

能有效地降低抽油机的动载荷，提高采油系统的效率。

开关磁阻电机调速系
统应用到抽油机上后，在能效和节能方面得到了很好效果，并能实现四象限运行，做到电网
回馈。

通过现场测试，在抽油机低速运行工况下开关磁阻电机与普通三相异步电机及高转差电
机相比节电20%以上，节电最高的达到了50%，节能效果非常明显。

目前国内油田受国际油
价的影响，控制采油成本势在必行，抽油机选用开关磁阻电机系统节能是优选方案。

4 经济效益分析
胜利油田某采油厂以37kW开关磁阻电机替换三相异步电机、高转差电机，并进行对比
测试。

通过以上数据对比可以看出开关磁阻电机调速系统与原来的三相异步及高转差电机相比
节能优势非常明显，最高达到了51.5%，一般节能效果在20%以上。

除了节能以外，使用开关磁阻电机调速系统还会产生其他的效益，可以增产增效，例如
在产量低于3方/天的井降低冲次后产量最少增加15%。

开关磁阻电机调速系统应用后大幅度降低设备的折旧速度。

为了节约钻井成本，油田开
发中90%以上为定向井，定向井开采过程中虽然采用了油杆扶正器，但采油管柱的磨损仍然
是一个相当严重的问题,致使每5年就要更换一次，油管油杆的疲劳也导致至少6年更换一次
油杆。

把油管油杆的寿命以6年计算，把液量在2方以下的井采油冲次从原来的6次降低到
3次，产液量不降反之增加,但抽油机、油管、油杆的寿命增加一倍，油杆的疲劳寿命也增加
一倍。

通过改变冲次的办法，合理调配井下供采关系改善泵的工作状态，可以有效减少凡尔漏，抽油杆断脱，卡泵（泵运动速度减慢可缓解拉位，减少了油管杆的磨损，泵被铁屑卡死的现
象也大幅度降低）。

开关磁阻电机调速系统在油田抽油机上的应用优势明显，具有非常显著的经济效益。

5结论
开关磁阻电机产品调速范围宽、节能效果好、启动电流小、启动力矩大等特点，可用于
低产井、控制产量井、井身质量问题引起频繁检泵的井及高产井。

该电机广泛安装在游梁式
抽油机、立式抽油机、试井机、双井抽油机、注水泵、双驴头抽油机上，对机械设备不做改动。

随着运行经验的积累和完善，开关磁阻电动机调速系统的批量应用必将带来油田抽油机节能和低碳应用的一场革命，是我国推行节能降耗国策的必要举措。

综上所述，提高电机的效率、在油田抽油机上积极批量推广高效率开关磁阻节能电机，对提高油田装备制造业水平，推动全社会节能降耗的发展，降低生产企业运营成本，满足市场发展需要等都具有重大意义，其推广是十分必要的。

参考文献：
[1]吴建华.开关磁阻电机设计与应用[M].机械工业出版社，2000
[2]宋锡富，张振海，刘传玉.开关磁阻电机节能技术及应用[T].钻采工艺.2009.5。