永磁電動機在安塞油田抽油機上的應(yīng)用與節(jié)能分析

張波 賀琦（中國石油長慶油田分公司第一采油廠）

目前，陸地油田上使用的抽油機上下沖程負(fù)荷相差很大，呈周期性波動。為了使抽油機順利啟動，常按抽油機最大負(fù)荷來選配電動機。電動機軸上的負(fù)荷轉(zhuǎn)矩是油井負(fù)荷與抽油機平衡塊轉(zhuǎn)矩的合成轉(zhuǎn)矩，而抽油機正常運行時，平均負(fù)荷只有最大負(fù)荷的30%左右。安塞油田生產(chǎn)中電動機用電巨大，異步電動機的用電量又占油田用電總量的75%～85%，電動機和抽油機負(fù)荷運行中的不匹配導(dǎo)致電動機一直在低效率下運行，造成了能源的浪費。使用永磁電動機在一定程度上改善了這種狀況。

1 永磁電動機的特點

1）高效節(jié)能[1]：永磁電動機（圖1）采用銣鐵硼永磁體作為轉(zhuǎn)子磁勢源，不需要勵磁線圈和集電環(huán)，轉(zhuǎn)子達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時，既無銅耗又無鐵耗。由于定子電流降低，相應(yīng)定子銅耗也明顯降低，其效率高于96.2%。

圖1 永磁同步電動機的基本組成框圖

2）功率因數(shù)高：該電動機沒有激磁功率，由轉(zhuǎn)子提供能量，正常情況下功率因素接近0.999。

3）永磁同步電動機采用異步啟動方式，啟動轉(zhuǎn)矩大，克服抽油機死點，啟動轉(zhuǎn)矩達(dá)到3.5倍，而且啟動平穩(wěn)，在實際使用中降低裝機功率。

4）與同規(guī)格的同步電動機相比[2]，電動機效率提高3～4個百分點，同時在額定負(fù)載的25%～120%的范圍內(nèi)，能保持很高的效率和功率因數(shù)，保證節(jié)能效果更明顯。

由于以上眾多優(yōu)良的特性使其在油田生產(chǎn)中得到推廣。

2 應(yīng)用與節(jié)能效果分析

主要針對近2年期間按比例抽查采油廠推廣應(yīng)用的永磁電動機測試情況數(shù)據(jù)，加以分析處理，并且與更換安裝之前的普通三項異步轉(zhuǎn)子電動機測試參數(shù)比較，評判其整體的節(jié)能效果。（注：無功經(jīng)濟當(dāng)量取0.03 kW/kvar）

表1 永磁電動機與普通異步轉(zhuǎn)子電動機的參數(shù)對比

數(shù)據(jù)表明使用永磁電動機后，電動機的功率因數(shù)提高至0.89，有功節(jié)電率和綜合節(jié)電率分別是16.92%和41.95%，收到了顯著的節(jié)能效果（表1）。

數(shù)據(jù)表明使用永磁電動機后，電動機的功率因數(shù)提高至0.88，有功節(jié)電率和綜合節(jié)電率分別是11.56%和19.71%，收到了很好的節(jié)能效果（表2）。

表2 永磁電動機與普通異步轉(zhuǎn)子電動機的參數(shù)對比

表3 永磁電動機與普通異步轉(zhuǎn)子電動機的參數(shù)對比

數(shù)據(jù)表明使用永磁電動機后，電動機的功率因數(shù)提高至0.81，有功節(jié)電率和綜合節(jié)電率分別是9.34%和13.84%，起到了較好的節(jié)能效果（表3）。

從以上數(shù)據(jù)看，永磁電動機的節(jié)能效果明顯。經(jīng)過試點推廣后，加快了推廣度，在產(chǎn)油量同去年相比變化不大情況下，累計同比節(jié)電19%，經(jīng)濟效益顯著。

在永磁電動機逐步推廣的過程中，使用效果較好，但發(fā)現(xiàn)部分永磁電動機在使用時間較長或其他原因?qū)е孪到y(tǒng)效率下降、功率因數(shù)不高、上下電流峰值過大等問題，嚴(yán)重影響了抽油機節(jié)能的目標(biāo)，對這類問題做了歸類分析。

3 永磁電動機的問題分析

3.1 最大電流過大

W 25-04井的最大電流在21A之上，平均過載已經(jīng)超過100%，電動機已經(jīng)嚴(yán)重過載，發(fā)熱嚴(yán)重。原因是由于片面地追求節(jié)能盡可能選用小功率的永磁電動機，從而導(dǎo)致抽油機電動機不能正常工作（表4）。

根據(jù)抽油機的實際負(fù)載情況更換永磁電動機，初步計算選型認(rèn)為，選用12 kW永磁電動機可以消除電動機過載的不良狀況，在保證節(jié)能效果的同時可保證電動機的正常運行（圖2）。

表4 不同型號永磁電動機的參數(shù)對比

圖2 電參數(shù)曲線

3.2 平均電壓值過小

X16-011井目前一直使用TNYC225S-12永磁電動機，然而功率因數(shù)僅為0.53，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不符合正常狀態(tài)下的永磁電動機工作參數(shù)，特別應(yīng)注意的是該井的平均電壓小于230 V（表5）。

原因在于永磁電動機對工作電壓精度范圍要求很高，必須在一定范圍內(nèi)。該井的電壓發(fā)生了改變，所以導(dǎo)致永磁電動機功率因數(shù)低，功耗高，工作狀態(tài)不穩(wěn)。因此，要根據(jù)測試數(shù)據(jù)及時調(diào)整電壓，提高永磁電動機效率（圖3）。

3.3 功率因數(shù)較低

W 25-04井目前一直使用TNYC225S-12永磁電動機，平均電壓正常，最大上下行電流也屬正常。然而抽油機井系統(tǒng)效率只有14.18%，功率因數(shù)僅為0.42，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不符合正常狀態(tài)下的永磁電動機工作性能參數(shù)（表6）。

永磁電動機存在功率因數(shù)過低的現(xiàn)象，其原因可能是永磁鐵退磁引起的，因此有必要對電動機跟蹤測試并對其磁性性能做進(jìn)一步檢測，如果屬于退磁，要更換該電動機。

表5 TNYC225S-12永磁電動機的測試數(shù)據(jù)

表6 TNYC225S-12永磁電動機的測試數(shù)據(jù)

圖3 電參數(shù)曲線

4 結(jié)論

1）永磁電動機在安塞油田的推廣應(yīng)用整體效果突出，達(dá)到了提高抽油機電動機功率因數(shù)接近0.98的目標(biāo)，實現(xiàn)了機采系統(tǒng)節(jié)能降耗，在保證周期性的電力參數(shù)跟蹤監(jiān)測前提下，值得進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。

2）目前安塞油田抽油機用的永磁電動機全部在野外工作，環(huán)境惡劣，并且抽油機負(fù)荷伴有沖擊性，使用永磁電動機比在其他情況下更容易失磁，磁的穩(wěn)定性很難保證，導(dǎo)致電動機性能下降，這是造成部分永磁電動機功率因數(shù)降低，節(jié)能效果下降的原因之一。

3）永磁電動機對功率因數(shù)的提高程度和電動機自身性能參數(shù)有關(guān)，還與電動機負(fù)載率和工作電壓有關(guān)，即在供電電壓一定時，電動機的負(fù)載率越低功率因數(shù)越低，供電電壓越接近臨界反電動勢值時功率因數(shù)越高；因此，合理地調(diào)整供電電壓和選擇匹配的裝機功率對功率因數(shù)的提高很重要。由于功率因數(shù)的提高，大大降低了輸入電流，減少了抽油機在換向時電流變化對電網(wǎng)的沖擊，對電動機也起到一定的保護(hù)作用。

4）永磁電動機作為一種新型的拖動系統(tǒng)，目前性能還處在不斷完善的過程中，如果選型使用操作維護(hù)不當(dāng)，不僅造成系統(tǒng)的嚴(yán)重?fù)p壞，達(dá)不到節(jié)能的效果，還會影響油井的產(chǎn)量。

[1]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1997:20-21.

[2]陳丕璋.電動機節(jié)能技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,1989:36-37.