注水泵電動機(jī)發(fā)熱異常原因分析與對策

吉效科, 許麗

（1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500；2.長慶油田公司設(shè)備管理處，西安 710018）

0 引 言

從20世紀(jì)80年代末開始，長慶油田為提高油田注水系統(tǒng)效率，結(jié)合油田區(qū)域分散、小區(qū)塊回注的地域工藝特征，增壓注水設(shè)備全部應(yīng)用往復(fù)式注水泵。電動機(jī)作為該注水泵組的關(guān)鍵組成部分，它的作用是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，為注水泵提供動力?？刂葡到y(tǒng)有變頻調(diào)速控制和軟啟動控制2種，自2008年開始，油田開展注水泵控制系統(tǒng)節(jié)能改造，將大部分注水泵的軟啟動控制改為變頻調(diào)速控制，通過改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)注水泵的排量，達(dá)到了減少和消滅注水泵回流的目的，為油田注水系統(tǒng)節(jié)能降耗發(fā)揮了重要作用。

自2013年開始，一些站點(diǎn)的注水泵出現(xiàn)電動機(jī)溫升高、故障率增加，嚴(yán)重影響了部分區(qū)塊的注水生產(chǎn)，增加了注水系統(tǒng)能耗和設(shè)備維護(hù)成本。經(jīng)現(xiàn)場測試，電動機(jī)高溫部位主要發(fā)生在電動機(jī)定子繞組部位，即接電盒的右下方和電動機(jī)靠近泵側(cè)的軸向中間位置，比電動機(jī)軸承部位溫升至少高出10 K。為此，采油單位給發(fā)熱異常的電動機(jī)配置了獨(dú)立風(fēng)扇冷卻，但仍有許多電動機(jī)故障率高，頻繁燒壞。2014年7～8月，長慶油田公司與上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司聯(lián)合開展了注水泵電動機(jī)的廠內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場測試，開展發(fā)熱異常的原因分析，并制定了相應(yīng)的解決方案與措施，為油田注水泵配置及使用電動機(jī)提供了重要的依據(jù)和方法。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

現(xiàn)場測試的西三注、西259站、慶三聯(lián)、慶三注、吳一聯(lián)、柳三轉(zhuǎn)等6個注水泵站的22臺發(fā)熱異常嚴(yán)重的注水泵電動機(jī)基本技術(shù)狀況見表1。

從表1可以看出，這6個注水站點(diǎn)的注水泵均為2007～2011年投產(chǎn)，注水泵額定壓力20 MPa和25 MPa，額定排量最低的25.76 m3/h、最高的37.2 m3/h；電動機(jī)均為普通Y系列三相異步電動機(jī)，配置功率最低的75 kW、最高的355 kW，防護(hù)等級和絕緣等級為IP23、B級，IP54或IP 55、F級，工作制為S1。

表1 注水泵電動機(jī)技術(shù)參數(shù)

2 現(xiàn)場測試

2014年7月～8月，對西三注、西259站 、慶三聯(lián)、慶三注、吳一聯(lián)、柳三轉(zhuǎn)等6個注水泵站的22臺發(fā)熱異常的注水泵電動機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場測試。注水泵發(fā)熱異常電動機(jī)的測試結(jié)果見表2。

從表2可以看出：

1）同一站點(diǎn)的不同控制方式的注水泵，變頻控制的電動機(jī)溫度較工頻軟啟控制運(yùn)行的溫度高。如慶三聯(lián)1#注水泵與4#注水泵在負(fù)載率高、同樣50 Hz運(yùn)行的狀態(tài)下機(jī)殼溫度高出37℃，軸承溫度高出18℃；西259站同等負(fù)載率和50 Hz頻率下，4#注水泵較1#、3#注水泵的電動機(jī)機(jī)殼溫度高16℃以上，軸承溫度高出4℃以上。

2）同一站點(diǎn)電源電壓高的注水泵電動機(jī)溫度較高。注水站電網(wǎng)電壓普遍偏離380 V，最高偏離量超出±14.5%。如西259站在同負(fù)載率、工頻軟啟控制狀態(tài)下，1#注水泵的電壓較3#注水泵高12 V，機(jī)殼溫度高出14℃，而軸承溫度基本一樣；柳三轉(zhuǎn)同負(fù)載率、變頻控制狀態(tài)下，4#注水泵的電壓較3#注水泵高25 V，機(jī)殼溫度略高于2#注水泵。

3）同一站點(diǎn)負(fù)載率低、工頻軟啟控制運(yùn)行的注水泵溫升高。西三注1#注水泵的實(shí)際運(yùn)行功率只有額定值的76%，但電動機(jī)溫升已接近最高溫升限值的90%。

4）普通電動機(jī)用變頻控制的諧波失真率（THD）高。注水泵電動機(jī)工頻軟啟動運(yùn)行，供電電源諧波失真率（THD）為5%以下，而變頻器控制下電動機(jī)輸入電源的諧波失真率（THD）遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值，如吳一聯(lián)使用變頻器控制的3#電動機(jī)，在變頻控制20 Hz下運(yùn)行時，電動機(jī)輸入電源的總諧波失真率（THD）為74%，柳三轉(zhuǎn)2臺電動機(jī)輸入電源的總諧波失真率（THD）均在42%～45%之間。

5）注水泵的實(shí)際排量和壓力均在額定參數(shù)范圍內(nèi)，實(shí)際負(fù)載率在49%～90%范圍內(nèi)，無運(yùn)行參數(shù)超出額定參數(shù)和滿載的情況，電動機(jī)配置功率滿足注水泵運(yùn)行需要。

表2 西三注注水泵及電動機(jī)運(yùn)行參數(shù)

3 原因分析

造成注水泵電動機(jī)發(fā)熱的原因有多種，且各站點(diǎn)不盡相同。普通電動機(jī)配置變頻調(diào)速控制、電動機(jī)性能與工況不匹配、電動機(jī)溫升余量設(shè)計(jì)小和電動機(jī)修理造成性能下降等是導(dǎo)致電動機(jī)發(fā)熱的主要原因。

3.1 變頻器控制普通電動機(jī)

1）由于變頻器的輸出電壓和電流中存在大量的諧波，使得電動機(jī)產(chǎn)生附加諧波損耗，變頻器產(chǎn)生的高次諧波會引起電動機(jī)定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅（鋁）耗、鐵耗及附加損耗的增加，使電動機(jī)溫升加劇，效率降低、絕緣材料加速老化，嚴(yán)重降低了電動機(jī)的使用壽命。

2）普通電動機(jī)配變頻器低頻運(yùn)行溫升增加10～15 K，當(dāng)電動機(jī)設(shè)計(jì)溫升余量小時，使得電動機(jī)溫升超過80 K的狀態(tài)下長時間運(yùn)行，這加速了電動機(jī)絕緣材料老化、絕緣性能下降，電動機(jī)溫度繼續(xù)上升，直到電動機(jī)溫度高至絕緣失效、線圈燒壞。

3）部分變頻器性能較差，輸出的電源諧波污染輸出和輸入端電網(wǎng)，影響同一供電網(wǎng)絡(luò)下其它用電設(shè)備，包括其它注水泵電動機(jī)的運(yùn)行。

4）普通電動機(jī)因變頻控制在低速轉(zhuǎn)動時，風(fēng)扇的冷卻風(fēng)量與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比例減小，電動機(jī)本身發(fā)熱量無法迅速帶走，加速了電動機(jī)的溫升。

3.2 電動機(jī)性能與工況不符

1）電動機(jī)選用的絕緣等級較低。絕緣等級決定了電動機(jī)的允許溫度和使用壽命?，F(xiàn)場在用B級絕緣等級的電動機(jī)，其繞組溫升限值為80 K，最高工作溫度為130℃（電動機(jī)內(nèi)部溫度）。經(jīng)現(xiàn)場測試，受實(shí)際工況的影響當(dāng)電動機(jī)負(fù)載達(dá)到額定負(fù)載的80%時，夏季實(shí)際運(yùn)行溫升接近甚至達(dá)到B級絕緣的限值，不能滿足工況的需要。

2）電動機(jī)選用較低防護(hù)等級。現(xiàn)場有使用防護(hù)等級為IP23的開式電動機(jī)，機(jī)殼未全封閉，機(jī)身、前后端蓋都留有散熱孔，工業(yè)塵土可進(jìn)入電動機(jī)機(jī)身內(nèi)部，附著在定子和轉(zhuǎn)子表面，影響電動機(jī)散熱。

3.3 其它因素

1）電動機(jī)設(shè)計(jì)溫升余量小。電動機(jī)廠家在電動機(jī)設(shè)計(jì)時考慮降低成本，在滿足國標(biāo)要求的前提下，盡量降低銅線和鐵芯材料消耗，在沒有特殊要求的情況下，電動機(jī)溫升余量設(shè)計(jì)很小，如同樣生產(chǎn)注水泵電動機(jī)的廠家，其中廠家A生產(chǎn)的電動機(jī)實(shí)測溫升72 K，廠家B生產(chǎn)的電動機(jī)實(shí)測溫升76 K。

2）設(shè)計(jì)條件與工況不符。注水泵電動機(jī)選用普通電動機(jī)，這種電動機(jī)設(shè)計(jì)沒有考慮現(xiàn)場工況環(huán)境條件，如海拔高度、電壓波動、工作制、負(fù)載等，由于油田用注水泵安裝在海拔高度1200～1700 m的地方，電動機(jī)生產(chǎn)廠家的試驗(yàn)地點(diǎn)海拔100 m以下，據(jù)《旋轉(zhuǎn)電動機(jī)定額和性能》（GB 755-2008）的溫度修正計(jì)算，兩者之間的溫升差異在12 K左右，即：電動機(jī)使用現(xiàn)場要比生產(chǎn)廠家試驗(yàn)地點(diǎn)的溫升高出12 K。

3）多次維修性能下降。電動機(jī)維修廠家通過對電動機(jī)定子加溫拆除繞組，高溫加速定子鐵芯的絕緣老化，電動機(jī)每修一次實(shí)際功率下降5%以上?，F(xiàn)場實(shí)測的22臺電動機(jī)中有80%進(jìn)行過維修，其性能下降也是溫升過高的一個影響因素。

4）供電電壓波動大。根據(jù)《旋轉(zhuǎn)電動機(jī)定額和性能》（GB 755-2008），普通電動機(jī)的適用電壓為380 V，波動范圍±5%，而實(shí)際油田注水泵電壓410 V左右，波動范圍在10%左右?，F(xiàn)場測試的6個站點(diǎn)，除吳一聯(lián)較接近標(biāo)準(zhǔn)電壓外，其它站點(diǎn)電壓均偏高。

4 解決措施

1)使用“普通電動機(jī)+變頻器”運(yùn)行的電動機(jī)發(fā)熱解決措施。a.防護(hù)等級為IP54或IP55、絕緣等級F級電動機(jī)發(fā)熱異常優(yōu)先采用更換風(fēng)扇護(hù)罩，加裝罩內(nèi)獨(dú)立風(fēng)扇（防護(hù)等級IP23除外），不在電動機(jī)旁邊另設(shè)獨(dú)立風(fēng)扇強(qiáng)制散熱。b.對于現(xiàn)場在用IP23防護(hù)等級、B級絕緣等級的電動機(jī)，必要時更換或降級使用，這種電動機(jī)不宜使用變頻器。c.注水泵出口壓力低于額定壓力4 MPa以下運(yùn)行的發(fā)熱電動機(jī)，去掉變頻器工頻運(yùn)行，電動機(jī)連續(xù)運(yùn)行溫升穩(wěn)定后仍然發(fā)熱異常，證明電動機(jī)性能下降，應(yīng)更換電動機(jī)；電動機(jī)溫升穩(wěn)定后，電動機(jī)表面溫度在正常范圍內(nèi)，電動機(jī)應(yīng)切換或改造為工頻控制，需要變頻調(diào)速控制的應(yīng)更換為變頻電動機(jī)。

2)新購注水泵配置變頻調(diào)速控制時，電動機(jī)必須選用變頻調(diào)速電動機(jī)，且滿足以下要求：a.性能滿足《調(diào)速專用三相異步電動機(jī)絕緣規(guī)范》（GB/T 21707-2008），能效等級不低于《中小型三相異步電動機(jī)能效限定值及能效等級》（GB18613-2012）中2級的標(biāo)準(zhǔn)。b.變頻電動機(jī)風(fēng)扇由獨(dú)立電動機(jī)驅(qū)動，具有特殊的電磁設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠適應(yīng)非正弦波電源并抑制高次諧波。c.注水泵電動機(jī)配置必須選擇防護(hù)等級不低于IP54，絕緣等級不低于F級的電動機(jī)。

3)維修2次以上的電動機(jī)應(yīng)結(jié)合具體工況，必要時降級使用；淘汰因多次修復(fù)造成效率下降的電動機(jī)。

5 結(jié)語

1）通過對6個注水站點(diǎn)22臺注水泵電動機(jī)現(xiàn)場測試與數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為注水泵電動機(jī)發(fā)熱異常的原因是多方面的，其中普通電動機(jī)配變頻器運(yùn)行、電動機(jī)設(shè)計(jì)性能與工況不符、供電電壓波動大等是造成電動機(jī)發(fā)熱異常的主要原因。

2）注水泵采用變頻調(diào)速控制時須配置變頻調(diào)速電動機(jī)，注水泵電動機(jī)配置應(yīng)選擇防護(hù)等級不低于IP54、絕緣等級不低于F級的電動機(jī)，且電動機(jī)的設(shè)計(jì)性能要與油田注水泵的工況特點(diǎn)、環(huán)境條件相適應(yīng)，如海拔高度、電壓波動、諧波干擾、啟動性能、負(fù)載特性等指標(biāo)在注水泵電動機(jī)設(shè)計(jì)時均應(yīng)考慮。

3）長慶油田已經(jīng)按照解決方案對在用注水泵電動機(jī)進(jìn)行了整改，對油田產(chǎn)能建設(shè)項(xiàng)目采購注水泵全部配置變頻調(diào)速電動機(jī)，解決和預(yù)防了油田注水泵電動機(jī)發(fā)熱異常的問題，取得了顯著的成效。

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