目前我國工業(yè)用電量約占發(fā)電總量的70%，而其中電機(jī)的用電約占工業(yè)用電總量的60%，即每年電機(jī)所消耗的電量占全部社會(huì)發(fā)電總量的42%左右。而我國目前電機(jī)的能效比發(fā)達(dá)國家低3%～10%，若將電機(jī)效率提高3%～5%，甚至更高，將會(huì)節(jié)約大量能源，給社會(huì)帶來無法估量的直接或間接的經(jīng)濟(jì)效益。由此可見，提高電機(jī)效率從而提高能源利用率是非常重要的。

　　油田生產(chǎn)過程中存在較大的節(jié)電潛力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國電動(dòng)機(jī)耗電占全國耗電量的60%以上，全國用電量40％左右的風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)的平均效率在50％左右，其中大量電機(jī)處于“大馬拉小車”的狀態(tài)，效率低。中小型三相異步電動(dòng)機(jī)耗電約占35%，是耗能大戶。

　　在油田企業(yè)，電機(jī)是原油生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿?，被廣泛應(yīng)用在油田生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，機(jī)械采油、注水、油氣集輸三大系統(tǒng)的電力驅(qū)動(dòng)裝備幾乎是電機(jī)，可以電機(jī)是油田的主要用電設(shè)備，占總耗電量的80%。然而，在生產(chǎn)實(shí)際中，由于管理技術(shù)水平等問題，很多電機(jī)處于輕載、低效、高耗能的運(yùn)行狀態(tài)，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。因此，電機(jī)節(jié)能降耗是油田節(jié)電降耗、降低開采成本的主要探索方向。

　　1 電機(jī)能耗機(jī)理

　　1.1明電機(jī)的分類及特點(diǎn)

　　電機(jī)雖然都是由電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，以滿足生產(chǎn)或生活的需要，但由于所需電源不同或用途、要求不同，又分很多類別，各類電機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能又各有特點(diǎn)。

　　直流電機(jī)：是以直流電為電源的電機(jī)，它具有良好的啟動(dòng)性能，并能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)范圍較廣的平滑調(diào)速。因此，直流電機(jī)在啟動(dòng)和調(diào)速要求較高的機(jī)械上廣泛地使用。

　　交流電機(jī)：是以交流電為電源的電機(jī)，這種電機(jī)按轉(zhuǎn)數(shù)與電源頻率的關(guān)系不同，又分為異步電機(jī)和同步電機(jī)兩大類。

　　控制電機(jī)：屬于特殊用途的電機(jī)，通常以結(jié)構(gòu)和用途的不同而分類。一般容量較小，種類繁多，用途各異，從節(jié)能的角度看并不是節(jié)能的重點(diǎn)。

　　1.2電機(jī)損耗分析

　　當(dāng)電機(jī)將輸入的電能轉(zhuǎn)換為輸出軸上的機(jī)械能時(shí)，總要伴隨一定能量的損耗。根據(jù)GB755-2000《旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能》中規(guī)定，將電機(jī)能量損耗劃分為恒定損耗、負(fù)載損耗及雜散損耗。

　　1.2.1恒定損耗

　　是指電機(jī)運(yùn)行時(shí)的固有損耗，它與電機(jī)材料、制造工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)速等參數(shù)有關(guān)，而與負(fù)載大小無關(guān)。恒定損耗包括鐵心損耗及機(jī)械損耗。

　　鐵心損耗

　　鐵心損耗也稱為鐵耗，指主磁場在電機(jī)鐵心中交變所引起的渦流損耗和磁滯損耗。異步電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率很小，轉(zhuǎn)子鐵心中磁通變化的頻率很小，一般僅為每秒1-3周，所以鐵耗主要為定子鐵心損耗。

　　鐵耗大小取決于組成電動(dòng)機(jī)鐵心材料、頻率及磁通密度，近似公式P≈kf1.3B2。磁通密度B與輸入電壓U成正比，對(duì)一臺(tái)電機(jī)而言，其鐵耗近似于電壓的平方成正比。

　　空載雜散損耗是指空載電流通過定子繞組的漏磁通在定子機(jī)座、端蓋等金屬中產(chǎn)生的損耗，由于空載電流近似不變，因此這些損耗也是恒定的。鐵耗一般占異步電機(jī)總損耗的20%-25%。

　　機(jī)械損耗

　　通常包括軸承摩擦損耗及通風(fēng)系統(tǒng)損耗，對(duì)繞線式轉(zhuǎn)子還存在電刷摩擦損耗。

　　軸承摩擦損耗主要與軸承型號(hào)、裝配水平、潤滑脂有關(guān)。通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)摩擦損耗主要取決于冷卻風(fēng)扇所用材料、風(fēng)機(jī)效率、風(fēng)道設(shè)計(jì)合理性。機(jī)械損耗高低還與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，軸承摩擦損耗正比于轉(zhuǎn)速的平方，通風(fēng)損耗正比于轉(zhuǎn)速的三次方。

　　機(jī)械損耗一般占總損耗的10%-50%，電機(jī)容量越大，由于通風(fēng)損耗變大，在總損耗中所占比重也增大。

　　1.2.2負(fù)載損耗

　　負(fù)載損耗主要是指電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子、轉(zhuǎn)子繞組通過電流而引起的損耗，亦稱銅耗。它包括定子銅耗和轉(zhuǎn)子銅耗，其大小取決于負(fù)載電流及繞組電阻值。銅耗約占總損耗的20%-70%。

　　1.2.3雜散損耗

　　雜散損耗主要由定子漏磁通和定子、轉(zhuǎn)子的各種高次諧波在導(dǎo)線、鐵心及其他金屬部件內(nèi)所引起的損耗。這些損耗約占總損耗的10%-15%。

　　2 電機(jī)高耗低效運(yùn)行的原因

　　油田中使用電機(jī)的機(jī)采系統(tǒng)、輸油系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、水泵系統(tǒng)，其電機(jī)的運(yùn)行狀況均不樂觀，離經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有一定的差距，造成電機(jī)效率低下，能耗過大。其原因主要有以下幾個(gè)方面：

　　2.1老舊電機(jī)數(shù)量仍然較多

　　部分電機(jī)使用時(shí)間過長，內(nèi)部材料老化嚴(yán)重，有些電機(jī)的使用時(shí)間在20-30年以上；而另一部分電機(jī)制造工藝已屬落后淘汰技術(shù)，各類技術(shù)性能參數(shù)遠(yuǎn)差于新型電機(jī)。無論是電機(jī)過舊還是制造工藝過時(shí)，均會(huì)造成電機(jī)運(yùn)行負(fù)擔(dān)加重，電機(jī)效率低下，電機(jī)損耗也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于新裝或新型電機(jī)。

　　2.2電機(jī)匹配不當(dāng)，運(yùn)行設(shè)置不科學(xué)

　　機(jī)械設(shè)備與電機(jī)配套不合理，包括形式選用不合理、容量選用不合理、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速選用，不合理等現(xiàn)象比較普遍，而機(jī)動(dòng)設(shè)備的用戶也由于對(duì)設(shè)備的選用不合理，運(yùn)行方式不合理，造成大量的電機(jī)處于低效率運(yùn)行狀態(tài)。很多電機(jī)在選配時(shí)沒有認(rèn)真規(guī)劃，導(dǎo)致真正投入使用后電機(jī)額定功率對(duì)匹配功率過大或過小的問題。其中“大馬拉小車”使電機(jī)多損耗了一部分空載損耗；而“小馬拉大車”則使電機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，電機(jī)負(fù)擔(dān)過重，電機(jī)溫升過高，嚴(yán)重影響電機(jī)使用壽命。

　　2.3特殊工藝或生產(chǎn)發(fā)展需要是電機(jī)高耗低效運(yùn)行的重要因素

　　采油系統(tǒng)。抽油機(jī)由于其特殊的運(yùn)行要求，所匹配的電機(jī)必須同時(shí)滿足最大沖程，最大沖次，最大允許掛重的三個(gè)要求，還須具有足夠的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，以克服抽油機(jī)啟動(dòng)時(shí)嚴(yán)重的靜態(tài)不平衡。因此，往往抽油機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)確定的安裝容量裕度較大。如6型抽油機(jī)配Y200L-6/18.5kW，10型抽油機(jī)配Y250M-6/30kW等，但實(shí)際功率卻比額定功率要小的多。因此，在抽油機(jī)電機(jī)的選配上往往安裝了容量較大的電機(jī)，增加了電機(jī)的空載損耗；而抽油機(jī)的特殊的負(fù)荷變化，使得電機(jī)的無用功增加，這都使采油系統(tǒng)和電機(jī)的效率較低。

　　泵類。鑒于油田對(duì)輸油注水站點(diǎn)擴(kuò)容的考慮，有時(shí)在泵及電機(jī)的選配上采取以大帶小的方法，以滿足以后發(fā)展的需要，但很多站點(diǎn)輸油量或注水量較小或不斷萎縮，造成原來的泵機(jī)組配置過大，即嚴(yán)重的“大馬拉小車”，且這種狀況更多的時(shí)候不能立即更變，造成較為嚴(yán)重的電能損失。

　　3 電機(jī)節(jié)能測試實(shí)驗(yàn)

　　為了研究電機(jī)節(jié)能潛力，特對(duì)油田中電機(jī)使用最廣泛的抽油機(jī)電機(jī)和泵類電機(jī)進(jìn)行了節(jié)能測試實(shí)驗(yàn)。

　　3.1抽油機(jī)電機(jī)節(jié)能實(shí)驗(yàn)

　　對(duì)孤東油田2-13-14井的電機(jī)進(jìn)行了測試，實(shí)驗(yàn)主要是通過更換電機(jī)來論證節(jié)電潛力。

　　監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在2-13-14井上將Y160 M-6電機(jī)更換為Y112 M-4B5后，額定功率雖然降低3.5kW，但保證了正常的生產(chǎn)需要，且抽油系統(tǒng)效率略有升高，平衡度保持在80%-110％之間，有功功率從2.39 kW降低到1.45 kW，平均有功節(jié)電率達(dá)到了36.08%。

　　通過該實(shí)驗(yàn)說明：對(duì)抽油機(jī)等負(fù)載不平穩(wěn)的系統(tǒng)，可根據(jù)電機(jī)的實(shí)際有功功率大小，選用或更換匹配的電機(jī)，降低額定功率，減小功率損失，提高電機(jī)電能利用率。

　　3.2泵類電機(jī)節(jié)能實(shí)驗(yàn)

　　對(duì)孤東聯(lián)合站2#鍋爐房的4#水泵電機(jī)進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)，方法是對(duì)電機(jī)在安裝變頻裝置前后的功率變化情況進(jìn)行測算，進(jìn)而論證變頻器對(duì)電機(jī)的影響。水泵電機(jī)控制柜安裝了變頻器后，可根據(jù)生產(chǎn)需要自由調(diào)節(jié)頻率，進(jìn)而改變泵流量和有功功率，為了方便說明問題，我們可以采集多個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，測算節(jié)電率，監(jiān)測中選取工頻和47 Hz兩個(gè)頻率點(diǎn)。通過監(jiān)測，頻率在47 Hz時(shí)，有功功率比工頻時(shí)減小4.56 kW，功率因數(shù)提高0.0917，有功節(jié)電率達(dá)到了14.29%。

　　通過該實(shí)驗(yàn)說明：安裝變頻裝置后，不僅可以自由設(shè)置頻率，即電機(jī)以不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，從而達(dá)到需要的生產(chǎn)參數(shù)，方便生產(chǎn)中靈活調(diào)配，而且還可以在保證生產(chǎn)要求的前提下，提高功率因數(shù)，降低有功，減少不必要的損耗，是電機(jī)節(jié)能的有效途徑。

　　4 電機(jī)節(jié)能措施

　　電機(jī)降低損耗主要從恒定損耗、銅耗及雜散損耗這三個(gè)方面人手，實(shí)際中的各種措施也是以減少這三種損耗中一個(gè)或多個(gè)為本質(zhì)的方法，具體的應(yīng)用中則主要有以下幾種措施：

　　4.1選用高效節(jié)能型電機(jī)或?qū)Ｓ秒姍C(jī)，淘汰老舊落后電機(jī)

　　高效節(jié)能型電機(jī)的電機(jī)損耗僅是傳統(tǒng)落后電機(jī)的幾分之一，但電機(jī)效率卻明顯高于同狀態(tài)下一般電機(jī)，是老舊落后電機(jī)更替的首選。

　　永磁同步電機(jī)。抽油機(jī)上使用的永磁同步電機(jī)是一種異步啟動(dòng)的同步電機(jī)，由轉(zhuǎn)子交流啟動(dòng)后牽入同步運(yùn)行，類似于交流同步電機(jī)。其運(yùn)行是靠定子繞圈在氣隙中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子上磁鋼間的相互吸引，使轉(zhuǎn)子與定子氣隙磁場同步旋轉(zhuǎn)而做功。其轉(zhuǎn)子等效電阻電路，故功率因數(shù)高，因無磁勵(lì)電流，其空載損耗小。電機(jī)效率可達(dá)96％左右，較三相異步電機(jī)高。

　　直流電機(jī)。直流電機(jī)有優(yōu)良的控制性能，其機(jī)械特性和調(diào)速特性均為平行的直線，這是各類交流電動(dòng)機(jī)所沒有的特性。此外，直流電動(dòng)機(jī)還有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、效率高、調(diào)速方便、動(dòng)態(tài)特性好等特點(diǎn)。

　　其他專用電機(jī)。對(duì)有特殊工藝要求的設(shè)備，其對(duì)電機(jī)某一方面性能的要求不同，應(yīng)結(jié)合具體情況具體裝配，盡量減少因普通電機(jī)為彌補(bǔ)專用電機(jī)性能而造成額外電機(jī)電耗。

　　4.2正確匹配電機(jī)功率

　　在選擇電機(jī)時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：如果電機(jī)功率選得過小，就會(huì)出現(xiàn)“小馬拉大車”現(xiàn)象，造成電機(jī)長期過載，使其絕緣因發(fā)熱而損壞，甚至電機(jī)被燒毀。如果電機(jī)功率選得過大，就會(huì)出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象。其輸出機(jī)械功率不能得到充分利用，功率因數(shù)和效率都不高，不但對(duì)用戶和電網(wǎng)不利，而且還會(huì)造成電能浪費(fèi)。

　　要正確選擇電動(dòng)機(jī)的功率，必須經(jīng)過以下計(jì)算或比較：對(duì)于恒定負(fù)載連續(xù)工作方式，所選電機(jī)的額定功率應(yīng)等于或稍大于計(jì)算所得的功率。短時(shí)工作定額的電機(jī)，與功率相同的連續(xù)工作定額的電機(jī)相比，最大轉(zhuǎn)矩大，重量小，價(jià)格低。因此，在條件許可時(shí)，應(yīng)盡量選用短時(shí)工作定額的電機(jī)。對(duì)于斷續(xù)工作定額的電機(jī)，其功率的選擇要根據(jù)負(fù)載持續(xù)率的大小，選用專門用于斷續(xù)運(yùn)行方式的電機(jī)。此外，也可用類比法來選擇電動(dòng)機(jī)的功率。所謂類比法。就是與類似生產(chǎn)系統(tǒng)所用電機(jī)的功率進(jìn)行對(duì)比。

　　具體做法是：了解本單位或附近其他單位的類似生產(chǎn)系統(tǒng)使用多大功率的電機(jī)，然后選用相近功率的電機(jī)進(jìn)行試車。驗(yàn)證所選電機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械是否匹配。驗(yàn)證的方法是：使電機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)，用鉗形電流表測量電機(jī)的工作電流，將測得的電流與該電機(jī)銘牌上標(biāo)出的額定電流進(jìn)行對(duì)比。如果電機(jī)的實(shí)際工作電流與銘牌上標(biāo)出的額定電流上下相差不大，則表明所選電機(jī)的功率合適。

　　如果電機(jī)的實(shí)際工作電流比銘牌上標(biāo)出的額定電流低70％左右，則表明電機(jī)的功率選得過大應(yīng)調(diào)換功率較小的電機(jī)。如果測得的電機(jī)工作電流比銘牌上標(biāo)出的額定電流大40%以上，則表明電機(jī)的功率選得過?。础靶●R拉大車”，應(yīng)調(diào)換功率較大的電機(jī)。

　　4.3針對(duì)不同系統(tǒng)，合理調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，科學(xué)維護(hù)，加強(qiáng)管理節(jié)能

　　電機(jī)的日常維護(hù)也是決定電機(jī)是否高效低耗經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素，要按照系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的要求，定期檢查電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，優(yōu)化管理和維護(hù)。避免電機(jī)長時(shí)間超負(fù)荷、高溫運(yùn)行，對(duì)電機(jī)效率過低、不能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的電機(jī)要及時(shí)進(jìn)行原因監(jiān)測分析，調(diào)整負(fù)載狀態(tài)，盡可能地保持電機(jī)長時(shí)間處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。

　　對(duì)運(yùn)行的各個(gè)系統(tǒng)，進(jìn)行正確的參數(shù)設(shè)置，監(jiān)控電機(jī)與終端裝置的匹配狀況，避免“大馬拉小車”和“小馬拉大車”現(xiàn)象，讓電機(jī)始終保持在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行位置。

　　機(jī)采系統(tǒng)。采油系統(tǒng)具有電機(jī)啟動(dòng)電流大，運(yùn)行功率遠(yuǎn)低于電機(jī)額定功率，負(fù)荷時(shí)刻變化，有上下兩個(gè)臨界點(diǎn)，這些特點(diǎn)要求定期使用嵌型電流表等簡易儀器測試抽油機(jī)上下沖程最大電流，調(diào)整平衡度，使抽油機(jī)平衡度保持在80%-110%，將電機(jī)的無用功降低到最小。此外，對(duì)日產(chǎn)液量太小的油井，采取間開的方法，既可以聚積采油能量提高采油效率，又可節(jié)約間歇停井時(shí)的電量，如一天平均停井12小時(shí)，相應(yīng)的可節(jié)省50％的電費(fèi)。

　　2008年6月，孤東采油廠選擇了60口抽油機(jī)井進(jìn)行電機(jī)中間軸改造，在不影響液量和原油正常生產(chǎn)的情況下，單井平均沖次降低1.8次／分，單井平均輸入功率下降2.49千瓦，單井日節(jié)電59.5千瓦時(shí)，系統(tǒng)效率提高5.05％，綜合節(jié)電率達(dá)29.8％。該技術(shù)的應(yīng)用不僅解決了供液不足、動(dòng)液面低、產(chǎn)能低的抽油機(jī)井運(yùn)行能耗大的問題，而且解決了抽油機(jī)井其動(dòng)力矩大與運(yùn)行功率小之間的矛盾，避免了抽油機(jī)不必要的高速運(yùn)行導(dǎo)致的能耗大、減速箱磨損快等問題。

　　泵系統(tǒng)。無論是輸油泵、注水泵或循環(huán)水泵，均要監(jiān)控壓力值，推算或測量流量變化，分析生產(chǎn)需求與泵、電機(jī)的生產(chǎn)能力的匹配情況。對(duì)嚴(yán)重大材小用的泵、電機(jī)，可考慮更換較小容量，或?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行調(diào)速，降低有功功率；對(duì)嚴(yán)重不能滿足生產(chǎn)的可以增加泵數(shù)量或更換大容量泵和電機(jī)。

　　4.4使用軟啟動(dòng)、變頻調(diào)速裝置或安裝節(jié)電裝置

　　通常感應(yīng)電動(dòng)機(jī)采用直接啟動(dòng)或一般啟動(dòng)的方法，電機(jī)的全壓起動(dòng)電流為額定電流的5-7倍，不僅損耗大，對(duì)電網(wǎng)沖擊也大，機(jī)械磨損，振漏大。如果用變頻調(diào)速啟動(dòng)，可以將起動(dòng)電流限制到很小，即使是滿載起動(dòng)，也只比額定電流稍大就可以了，損耗大大降低，既不沖擊電網(wǎng)，又不沖擊機(jī)械。

　　5 結(jié)束語

　　目前使用較多的電機(jī)是交流電機(jī)，約占各類電機(jī)總數(shù)的85％以上，它具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)廉、不需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但它的弱點(diǎn)是調(diào)速困難，因而在許多應(yīng)用場合受到限制或借助機(jī)械方式來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。使用變頻器調(diào)速信號(hào)傳遞快、控制系統(tǒng)時(shí)滯小、反應(yīng)靈敏、調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制精度高、使用方便、有利于提高產(chǎn)量、保證質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，因而使用變頻器是企業(yè)節(jié)能降耗的首選產(chǎn)品。

　　變頻器就負(fù)載類型而言主要有兩方面的典型應(yīng)用：以改進(jìn)工藝為主要目的，確保工藝過程中的最佳轉(zhuǎn)速、不同負(fù)載下的最佳轉(zhuǎn)速以及準(zhǔn)確定位等。以其優(yōu)良的調(diào)速性能，提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高舒適性，使設(shè)備合理化，適應(yīng)或改善環(huán)境等。以節(jié)能為主要目的，以流量或壓力需要調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)、泵類機(jī)械的轉(zhuǎn)速控制來實(shí)現(xiàn)節(jié)能，改造效果非常顯著。

　　隨著節(jié)能節(jié)電技術(shù)的不斷發(fā)展，針對(duì)電機(jī)節(jié)電的各類節(jié)電裝置也不斷涌現(xiàn)，其主要原理是通過各種不同手段動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)過程中的電壓電流，在保證電機(jī)轉(zhuǎn)速的前提下，保持電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載的精確匹配，有效地減少有功功率和無功功率損耗，也相應(yīng)減少了磁損耗，同時(shí)使電機(jī)的功率因數(shù)提高。一般情況下綜合節(jié)電率在15％以上。

作者：佚名　來源：中國石油網(wǎng)