目前我國工業(yè)用電量約占發(fā)電總量的70%，而其中電機的用電約占工業(yè)用電總量的60%，即每年電機所消耗的電量占全部社會發(fā)電總量的42%左右。而我國目前電機的能效比發(fā)達國家低3%～10%，若將電機效率提高3%～5%，甚至更高，將會節(jié)約大量能源，給社會帶來無法估量的直接或間接的經(jīng)濟效益。由此可見，提高電機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，我國電動機耗電占全國耗電量的60%以上，全國用電量40％左右的風機、水泵、壓縮機的平均效率在50％左右，其中大量電機處于“大馬拉小車”的狀態(tài)，效率低。中小型三相異步電動機耗電約占35%，是耗能大戶。

　　在油田企業(yè)，電機是原油生產(chǎn)的主要動力，被廣泛應用在油田生產(chǎn)生活的各個領域，機械采油、注水、油氣集輸三大系統(tǒng)的電力驅(qū)動裝備幾乎是電機，可以電機是油田的主要用電設備，占總耗電量的80%。然而，在生產(chǎn)實際中，由于管理技術水平等問題，很多電機處于輕載、低效、高耗能的運行狀態(tài)，電能浪費嚴重。因此，電機節(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 電機能耗機理

　　1.1明電機的分類及特點

　　電機雖然都是由電能轉(zhuǎn)換為機械能，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，各類電機的結(jié)構(gòu)、性能又各有特點。

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

　　交流電機：是以交流電為電源的電機，這種電機按轉(zhuǎn)數(shù)與電源頻率的關系不同，又分為異步電機和同步電機兩大類。

　　控制電機：屬于特殊用途的電機，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。

　　1.2電機損耗分析

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

　　1.2.1恒定損耗

　　是指電機運行時的固有損耗，它與電機材料、制造工藝、結(jié)構(gòu)設計、轉(zhuǎn)速等參數(shù)有關，而與負載大小無關。恒定損耗包括鐵心損耗及機械損耗。

　　鐵心損耗

　　鐵心損耗也稱為鐵耗，指主磁場在電機鐵心中交變所引起的渦流損耗和磁滯損耗。異步電機在正常運行時，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機鐵心材料、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，對一臺電機而言，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總損耗的20%-25%。

　　機械損耗

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

　　軸承摩擦損耗主要與軸承型號、裝配水平、潤滑脂有關。通風系統(tǒng)的風摩擦損耗主要取決于冷卻風扇所用材料、風機效率、風道設計合理性。機械損耗高低還與電機轉(zhuǎn)速有關，軸承摩擦損耗正比于轉(zhuǎn)速的平方，通風損耗正比于轉(zhuǎn)速的三次方。

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

　　1.2.2負載損耗

　　負載損耗主要是指電機運行時，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 電機高耗低效運行的原因

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

　　2.1老舊電機數(shù)量仍然較多

　　部分電機使用時間過長，內(nèi)部材料老化嚴重，有些電機的使用時間在20-30年以上；而另一部分電機制造工藝已屬落后淘汰技術，各類技術性能參數(shù)遠差于新型電機。無論是電機過舊還是制造工藝過時，均會造成電機運行負擔加重，電機效率低下，電機損耗也遠遠高于新裝或新型電機。

　　2.2電機匹配不當，運行設置不科學

　　機械設備與電機配套不合理，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，而機動設備的用戶也由于對設備的選用不合理，運行方式不合理，造成大量的電機處于低效率運行狀態(tài)。很多電機在選配時沒有認真規(guī)劃，導致真正投入使用后電機額定功率對匹配功率過大或過小的問題。其中“大馬拉小車”使電機多損耗了一部分空載損耗；而“小馬拉大車”則使電機超負荷運行，電機負擔過重，電機溫升過高，嚴重影響電機使用壽命。

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

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

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

　　3 電機節(jié)能測試實驗

　　為了研究電機節(jié)能潛力，特對油田中電機使用最廣泛的抽油機電機和泵類電機進行了節(jié)能測試實驗。

　　3.1抽油機電機節(jié)能實驗

　　對孤東油田2-13-14井的電機進行了測試，實驗主要是通過更換電機來論證節(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)電率達到了36.08%。

　　通過該實驗說明：對抽油機等負載不平穩(wěn)的系統(tǒng)，可根據(jù)電機的實際有功功率大小，選用或更換匹配的電機，降低額定功率，減小功率損失，提高電機電能利用率。

　　3.2泵類電機節(jié)能實驗

　　對孤東聯(lián)合站2#鍋爐房的4#水泵電機進行測試實驗，方法是對電機在安裝變頻裝置前后的功率變化情況進行測算，進而論證變頻器對電機的影響。水泵電機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，我們可以采集多個頻率點進行對比，測算節(jié)電率，監(jiān)測中選取工頻和47 Hz兩個頻率點。通過監(jiān)測，頻率在47 Hz時，有功功率比工頻時減小4.56 kW，功率因數(shù)提高0.0917，有功節(jié)電率達到了14.29%。

　　通過該實驗說明：安裝變頻裝置后，不僅可以自由設置頻率，即電機以不同的轉(zhuǎn)速運行，從而達到需要的生產(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，是電機節(jié)能的有效途徑。

　　4 電機節(jié)能措施

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

　　4.1選用高效節(jié)能型電機或?qū)Ｓ秒姍C，淘汰老舊落后電機

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

　　永磁同步電機。抽油機上使用的永磁同步電機是一種異步啟動的同步電機，由轉(zhuǎn)子交流啟動后牽入同步運行，類似于交流同步電機。其運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，因無磁勵電流，其空載損耗小。電機效率可達96％左右，較三相異步電機高。

　　直流電機。直流電機有優(yōu)良的控制性能，其機械特性和調(diào)速特性均為平行的直線，這是各類交流電動機所沒有的特性。此外，直流電動機還有起動轉(zhuǎn)矩大、效率高、調(diào)速方便、動態(tài)特性好等特點。

　　其他專用電機。對有特殊工藝要求的設備，其對電機某一方面性能的要求不同，應結(jié)合具體情況具體裝配，盡量減少因普通電機為彌補專用電機性能而造成額外電機電耗。

　　4.2正確匹配電機功率

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

　　要正確選擇電動機的功率，必須經(jīng)過以下計算或比較：對于恒定負載連續(xù)工作方式，所選電機的額定功率應等于或稍大于計算所得的功率。短時工作定額的電機，與功率相同的連續(xù)工作定額的電機相比，最大轉(zhuǎn)矩大，重量小，價格低。因此，在條件許可時，應盡量選用短時工作定額的電機。對于斷續(xù)工作定額的電機，其功率的選擇要根據(jù)負載持續(xù)率的大小，選用專門用于斷續(xù)運行方式的電機。此外，也可用類比法來選擇電動機的功率。所謂類比法。就是與類似生產(chǎn)系統(tǒng)所用電機的功率進行對比。

　　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，然后選用相近功率的電機進行試車。驗證所選電機與生產(chǎn)機械是否匹配。驗證的方法是：使電機帶動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)，用鉗形電流表測量電機的工作電流，將測得的電流與該電機銘牌上標出的額定電流進行對比。如果電機的實際工作電流與銘牌上標出的額定電流上下相差不大，則表明所選電機的功率合適。

　　如果電機的實際工作電流比銘牌上標出的額定電流低70％左右，則表明電機的功率選得過大應調(diào)換功率較小的電機。如果測得的電機工作電流比銘牌上標出的額定電流大40%以上，則表明電機的功率選得過小（即“小馬拉大車”，應調(diào)換功率較大的電機。

　　4.3針對不同系統(tǒng)，合理調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，科學維護，加強管理節(jié)能

　　電機的日常維護也是決定電機是否高效低耗經(jīng)濟運行的重要因素，要按照系統(tǒng)參數(shù)設置的要求，定期檢查電機運轉(zhuǎn)情況，優(yōu)化管理和維護。避免電機長時間超負荷、高溫運行，對電機效率過低、不能經(jīng)濟運行的電機要及時進行原因監(jiān)測分析，調(diào)整負載狀態(tài)，盡可能地保持電機長時間處于經(jīng)濟運行狀態(tài)。

　　對運行的各個系統(tǒng)，進行正確的參數(shù)設置，監(jiān)控電機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，讓電機始終保持在經(jīng)濟運行位置。

　　機采系統(tǒng)。采油系統(tǒng)具有電機啟動電流大，運行功率遠低于電機額定功率，負荷時刻變化，有上下兩個臨界點，這些特點要求定期使用嵌型電流表等簡易儀器測試抽油機上下沖程最大電流，調(diào)整平衡度，使抽油機平衡度保持在80%-110%，將電機的無用功降低到最小。此外，對日產(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)約間歇停井時的電量，如一天平均停井12小時，相應的可節(jié)省50％的電費。

　　2008年6月，孤東采油廠選擇了60口抽油機井進行電機中間軸改造，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，系統(tǒng)效率提高5.05％，綜合節(jié)電率達29.8％。該技術的應用不僅解決了供液不足、動液面低、產(chǎn)能低的抽油機井運行能耗大的問題，而且解決了抽油機井其動力矩大與運行功率小之間的矛盾，避免了抽油機不必要的高速運行導致的能耗大、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、電機的生產(chǎn)能力的匹配情況。對嚴重大材小用的泵、電機，可考慮更換較小容量，或?qū)﹄姍C進行調(diào)速，降低有功功率；對嚴重不能滿足生產(chǎn)的可以增加泵數(shù)量或更換大容量泵和電機。

　　4.4使用軟啟動、變頻調(diào)速裝置或安裝節(jié)電裝置

　　通常感應電動機采用直接啟動或一般啟動的方法，電機的全壓起動電流為額定電流的5-7倍，不僅損耗大，對電網(wǎng)沖擊也大，機械磨損，振漏大。如果用變頻調(diào)速啟動，可以將起動電流限制到很小，即使是滿載起動，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)，又不沖擊機械。

　　5 結(jié)束語

　　目前使用較多的電機是交流電機，約占各類電機總數(shù)的85％以上，它具有結(jié)構(gòu)簡單、價廉、不需維護等優(yōu)點，但它的弱點是調(diào)速困難，因而在許多應用場合受到限制或借助機械方式來實現(xiàn)調(diào)速。使用變頻器調(diào)速信號傳遞快、控制系統(tǒng)時滯小、反應靈敏、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。

　　變頻器就負載類型而言主要有兩方面的典型應用：以改進工藝為主要目的，確保工藝過程中的最佳轉(zhuǎn)速、不同負載下的最佳轉(zhuǎn)速以及準確定位等。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，使設備合理化，適應或改善環(huán)境等。以節(jié)能為主要目的，以流量或壓力需要調(diào)節(jié)的風機、泵類機械的轉(zhuǎn)速控制來實現(xiàn)節(jié)能，改造效果非常顯著。

　　隨著節(jié)能節(jié)電技術的不斷發(fā)展，針對電機節(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態(tài)調(diào)節(jié)電機運行狀態(tài)過程中的電壓電流，在保證電機轉(zhuǎn)速的前提下，保持電機的輸出轉(zhuǎn)矩與負載的精確匹配，有效地減少有功功率和無功功率損耗，也相應減少了磁損耗，同時使電機的功率因數(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)