24極高效低轉(zhuǎn)速稀土永磁電動機的研制與應用*

馬坤 劉向東 王曉東 閆恩祥 閆敬東（勝利油田技術(shù)檢測中心）

目前，低產(chǎn)低液油井日漸增多，油井日產(chǎn)液量在10 m3以下，泵的充滿系數(shù)小于0.4，井上的抽油機電動機仍采用8極、12極電動機，這使抽油機的最低沖速只能調(diào)到4 min-1，而實際生產(chǎn)只需1～1.5 min-1，部分稠油區(qū)塊的抽油機井只需要0.3 min-1，導致了2.5～3.5 min-1沖速的耗電損失，造成抽油機系統(tǒng)效率很低，單位產(chǎn)液量的耗電量增大。

1 排量系數(shù)不足井調(diào)速減速技術(shù)現(xiàn)狀

通過降低沖速提高系統(tǒng)用能效率的技術(shù)主要有：電動機改造、控制柜改造、變頻調(diào)速技術(shù)、機械減速傳動[1]。

電動機改造，如開關(guān)磁阻電動機、電磁調(diào)速電動機以及齒輪減速電動機3 種特種節(jié)能電動機,雖然都有一定的節(jié)能效果，但均存在適用范圍有限,機械或控制復雜,整體效率偏低，可靠度低，后期運行維護難以跟上的問題。

間開控制柜通過間歇抽油，對于供液能力不足、空抽和氣鎖現(xiàn)象較多的低產(chǎn)液量井提高系統(tǒng)效率具有一定效果，但該技術(shù)低對低產(chǎn)低效井存在安全隱患。

變頻調(diào)速技術(shù)原理上雖然適用于機采系統(tǒng)的工況特點，但變頻器對工作環(huán)境要求較高、大量使用易污染電網(wǎng)、成本高、可靠度差、工人維護技術(shù)缺乏等缺點使其應用受限。

機械減速傳動即在抽油機電動機皮帶輪和齒輪箱皮帶輪之間增加一級機械減速輪，只要調(diào)整輪徑的大小，就可以調(diào)整抽油機的沖速到1 min-1。對產(chǎn)液量低的井，安裝減速裝置后，抽油機整體系統(tǒng)效率提高，節(jié)電效果明顯。缺點是井場安裝麻煩，增加一級皮帶傳送，就增加一部分傳動損失。

2 24極低轉(zhuǎn)速稀土永磁電動機技術(shù)指標

針對泵排量系數(shù)不足抽油機井沖速難以有效下調(diào)的問題，綜合比較各種調(diào)速減速技術(shù)及設備，技術(shù)檢測中心科研技術(shù)人員開展了24 極高效低轉(zhuǎn)速稀土永磁電動機的研制工作。通過開展電動機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計、提高能力指標和啟動品質(zhì)措施研究，有效地解決了提高空載反電勢和增加啟動轉(zhuǎn)矩的矛盾。24極高效低轉(zhuǎn)速稀土永磁電動機同步轉(zhuǎn)速250 r/min-1，能使抽油機井最低沖速調(diào)整到1 min-1左右，基本滿足了泵排量系數(shù)不足油井低沖速的要求。

根據(jù)對10 個采油廠以及4 個油公司泵排量系數(shù)不足井電動機裝機容量和輸入功率的調(diào)查結(jié)果得出，使用15 kW 電動機完全可以滿足現(xiàn)場泵排量系數(shù)不足抽油機井的生產(chǎn)需要。根據(jù)油田實際情況，研制了機座號為280 mm、功率為15 kW、電壓等級為380 V 的24 極永磁同步電動機。電動機的規(guī)格型號及性能指標[2]見表1。

表1 電動機設計性能指標

3 取得的成果

1）不增大280 機座號的基礎上保證永磁體各項設計指標達到要求，使得磁鋼在轉(zhuǎn)子鐵芯上達到合理布局，滿足280 機座號的設計要求。主要采取了以下措施：

◇合理設計電動機磁路結(jié)構(gòu)；

◇合理安排轉(zhuǎn)子槽磁鋼；盡可能提高原材料的利用率，選用優(yōu)質(zhì)的硅鋼板及高牌號性能的釹鐵硼永磁體，保證磁性的同時縮小磁鋼的尺寸，以縮小電動機體積。

最終采用定子沿圓周均布有90 個繞組槽；轉(zhuǎn)子沿圓周均布有72 個圓肩平底啟動籠導條槽，在其內(nèi)側(cè)是寬為6～7 mm 的24 個沿徑向均布的永磁體槽，永磁體槽內(nèi)安放有徑向及軸向均定位的釹鐵硼永磁體，布局結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 24 極電動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2）通過合理的設計，空載反電動勢設計在390 V 左右，使電動機在額定電壓下呈容性負載，在低負載率下，保證電動機功率因數(shù)仍然達到0.85以上。

由于油田電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，一般在額定電壓的±10%范圍內(nèi)浮動，負載特性試驗的目的是為了驗證在不同負荷條件下效率和功率因數(shù)是否在設計范圍內(nèi)[3]。在實驗室對電動機進行了負載特性試驗，基本情況見表2。

表2 TYCX280M-24 電動機負載特性數(shù)據(jù)

根據(jù)表2 試驗數(shù)據(jù)可以作出負載特性曲線，見圖2。

圖2 負載特性曲線

由圖2 可知24 極永磁同步電動機具有以下負載特性：

◇隨p2即負載率的增大，功率因數(shù)和效率增大，在額定值附近達到最大值；

◇在負載率較低（25%）的情況下，功率因數(shù)也大于0.90，實現(xiàn)了在低負載率下也能保持較高的功率因數(shù)；

◇在負載率大幅度變化（25%～100%）的條件下，曲線很平滑，說明24 極永磁電動機能保持較高的效率、功率因數(shù)指標。

3）該項目獲得實用新型專利一項，專利名稱：低產(chǎn)井專用高效永磁抽油機電動機，專利號：ZL201020285810.3。

4 現(xiàn)場應用情況

在樁西采油廠選取5 口抽油機井更換為24 極永磁電動機后，在產(chǎn)液量基本不變的情況下，改造后抽油機平均有功功率從5.08 kW 降為3.68 kW，減少了1.4 kW；平均無功功率從13.18 kvar下降到1.98 kvar；平均功率因數(shù)為0.872，提高了0.514；綜合節(jié)電率高達31.78%[4]，數(shù)據(jù)見表3。

表3 5 口井更換電動機前后數(shù)據(jù)對比

5 油田應用效益分析

1）勝利油田分公司抽油機井平均有功功率為7.84 kW，按節(jié)電率20%、全年運行350 天、電費0.6 元/kWh 計算，單井節(jié)電量1.37×104kWh，單井每年節(jié)約電費0.82 萬元。

15 kW 的24 極永磁同步電動機可替換37 kW 及以下普通異步電動機，同時單井變壓器容量可由目前的100 kVA 或50 kVA 降為30 kVA，變壓器容量費為每月20 元/kVA（國家標準），單井每年變壓器容量費0.48 萬元，每年直接經(jīng)濟效益1.3 萬元。

2）降低油井沖速后降低了皮帶輪、抽油桿、抽油管、抽油泵等設備的磨損費用，延長了抽油機井的作業(yè)周期，節(jié)約了油井的作業(yè)費用，從而使原油的生產(chǎn)成本降低。

6 結(jié)論

24 極高效低轉(zhuǎn)速稀土永磁電動機具有極強的針對性，節(jié)電效果非常顯著，是降低泵排量系數(shù)不足井沖速的最佳技術(shù)之一。使用該電動機可有效降低供液不足井沖速，提高抽油機系統(tǒng)效率。該技術(shù)的成功運用，可以有效推動油田節(jié)能減排和數(shù)字化建設工作的進程，在整個石油行業(yè)產(chǎn)生示范效應，其社會效益和經(jīng)濟效益顯著。

[1]閆敬東.調(diào)速（低速）技術(shù)在抽油機上的應用[J].節(jié)能技術(shù),2008,3(2):159-162.

[2]閆敬東.永磁同步電動機在抽油機上的應用[J].石油機械,2006,36(2):54-56.

[3]王同義,閆敬東,王強,等.新型抽油機拖動系統(tǒng)的應用研究[J].石油機械,2002,30(10):42-45.

[4]閆敬東,陳軍,姜家廳,等.抽油機用節(jié)能電動機節(jié)電效果測試和評價[J].石油機械,2000,28(4):46-48.