高效異步電動機在海上油田節(jié)能改造中的應用

陳文奎 （中海油節(jié)能環(huán)保服務有限公司）

電動機是拖動風機、水泵、壓縮機、機床、傳輸帶等各種設備的驅動裝置，是用電量最大的耗電終端設備，廣泛應用于石油化工、冶金、農業(yè)、交通、市政等行業(yè)和領域[1-2]。目前，很多海上油田的電動機已使用多年，存在能耗高、效率低、老化嚴重等問題，耗電量大幅增加，電能浪費嚴重，導致海上油田生產成本居高不下，嚴重制約了海上油田經濟的可持續(xù)發(fā)展。工信部和市場監(jiān)管總局印發(fā)《電動機能效提升計劃（2021—2023 年）》，我國于2021 年6 月開始實施新的電動機能效標準GB18613—2020《電動機能效限定值及能效等級》。

選取高效異步電動機作為研究對象，對其結構和節(jié)能原理進行了簡述，詳細分析了電動機改造后節(jié)能量的計算方法，著重介紹了在海上油田節(jié)能改造中的應用案例和節(jié)能效益。

1 高效異步電動機的簡介

1.1 結構原理

高效異步電動機在結構上和普通異步電動機一樣，主要由定子和轉子兩部分組成，定子和轉子中間是空氣隙，此外，還有端蓋、軸承、機座等部件。定子是異步電動機固定不動的部分，由機座、定子鐵芯和定子繞組構成，轉子由轉軸、轉子鐵芯和轉子繞組構成。高效異步電動機同樣具有結構簡單、制造容易、價格便宜、運行可靠、堅固耐用、維護方便等一系列優(yōu)點。

高效異步電動機的運行原理是根據電磁感應原理而工作的。當定子繞組通過三相對稱交流電后，在定子與轉子間產生旋轉磁場，轉子繞組切割該磁場在轉子回路中產生感應電動勢和電流，轉子繞組的電流在旋轉磁場的作用下，受到力的作用而使轉子旋轉[3]。

1.2 節(jié)能原理

高效異步電動機在將電能轉換為機械能的同時，自身也損耗一部分能量，這些損耗會以熱能的形式散發(fā)出去。其損耗一般可分為固定損耗、可變損耗和雜散損耗三部分[4]。

可變損耗是隨負荷變化的，包括定子電阻損耗（銅損）、轉子電阻損耗和電刷電阻損耗。固定損耗與負荷無關，包括鐵芯損耗（鐵損）和機械損耗，鐵損由磁滯損耗和渦流損耗所組成，與電壓的平方成正比，而磁滯損耗還與頻率成反比。雜散損耗是機械損耗和其他損耗，包括風扇、轉子等由于旋轉引起的風阻損耗和軸承的摩擦損耗。

電動機的效率計算公式為：

式中：η為電動機的效率；Po為電動機的輸出功率，kW；Pi為電動機的輸入功率，kW。

輸入功率等于輸出功率和電動機自身損耗之和，即：

式中：P為電動機自身損耗，由固定損耗、可變損耗和雜散損耗之和，kW。

由式（1）～（2）可知，在電動機輸出功率一定的條件下，電動機自身損耗越小，電動機越節(jié)能，其效率越高。

高效異步電動機采用了新理論、新結構、新材料、新工藝等先進措施[5-8]，最大限度地降低自身的鐵損、銅損、機械損耗、雜散損耗等損耗，獲得更大的機械能輸出，大大提高了轉換效率，從而達到節(jié)能的目的。高效異步電動機一般采取如下措施：

1）定子和轉子鐵芯采用低損耗冷軋電工硅鋼板來降低鐵損，實現較大幅度而且穩(wěn)定地降低電動機的鐵損。

2）定子和轉子繞組采用低諧波繞組，改善電動機的磁勢波形，從而降低定轉子繞組的銅損。

3） 采用先進合理的通風結構降低機械損耗，高效異步電動機采用了錐形風罩和帶錐形擋風板的風扇結構，具有優(yōu)良的通風效果，可以在風耗和摩擦損耗很小的情況下產生足夠的風量，達到很好的散熱冷卻效果，并且可以有效降低機械噪聲。

4）采用有效的工藝措施降低電動機雜耗，在采用適當的定、轉子槽配合和轉子槽斜度的同時，適當調整定、轉子氣隙值并對加工后的轉子進行多項處理，從而降低和控制雜散損耗。

2 節(jié)能量計算

采用高效異步電動機替換原低效電動機的方案進行節(jié)能改造，電動機輸出功率基本保持不變。在進行節(jié)能量計算時，通常做法是在不考慮無功功率的情況下只計算有功功率的節(jié)電量[9-10]。而按照GB/T 12497—2006《三相異步電動機經濟運行》，電動機的節(jié)約量包含有功功率節(jié)約量和無功功率節(jié)約量，若只考慮有功功率，計算結果會存在不小的偏差。為了更加精準的計算節(jié)能量，需對有功功率和無功功率的節(jié)能量分別進行計算。

1）有功功率的節(jié)約量。電動機改造后，有功功率的節(jié)約量為：

式中： ΔPp為有功功率的節(jié)約量，kW；Pi1為改造前輸入的有功功率，kW；Pi2為改造后輸入的有功功率，kW。

2）無功功率的節(jié)約量為：

式中： ΔQo為無功功率的節(jié)約量，kVar；Qi1為改造前輸入的無功功率，kVar；Qi2為改造后輸入的無功功率，kVar。

無功功率的節(jié)約量需換算成有功功率的節(jié)約量，按式（5）進行計算：

式中： ΔPo為無功功率的節(jié)約量換算成有功功率的節(jié)約量，kW；Ko為無功經濟當量系數，按照GB/T 12497—2006 中的規(guī)定：當電動機直連發(fā)電動機母線Ko為0.02～0.04，二次變壓取Ko為0.05～0.07，三次變壓取Ko為0.08～0.10。

由式（3）（4）（5）可得綜合功率：

3）綜合節(jié)電量的計算

式中： ΔW為綜合節(jié)電量，kWh；T為電動機運行時間，h。

4）綜合節(jié)電率的計算

式中： ΔE為綜合節(jié)電率，%。

3 電動機改造的典型應用

某海上油田的生產水泵電動機于2010 年生產，已使用多年，電動機內部老化嚴重，工作效率降低，功率因數降低，電能浪費嚴重，為響應國家節(jié)能降耗的相關政策，現對其進行節(jié)能改造，將其更換成同功率的高效異步電動機。改造前原電動機型號YB2-280S-4H，其額定功率為75 kW，額定電壓為380 V，功率因數為0.87，效率為93.6%，運行工況相對穩(wěn)定，負載率為80%。按照GB18613—2020《電動機能效限定值及能效等級》規(guī)定，額定功率75 kW 的三相異步電動機各能效等級如表1所示。

由表1 可知，75 kW-4（額定功率75 kW、極數4 極） 三級能效的三相異步電動機的效率不低于95%，而原電動機的效率為93.6%，已低于現行國家能效標準，屬于國家名列的淘汰產品。由于新的電動機能效標準實施時間不長，市場上能達到一級能效標準的三相異步電動機很少，因此選擇二級能效或三級能效異步電動機對原電動機進行節(jié)能改造。為了確定最佳改造方案，需對二級能效和三級能效異步電動機的節(jié)能效益進行測算分析。

3.1 電動機節(jié)能效益理論分析

為了便于分析，75kW-4 三相異步電動機的三級能效的效率取95%，二級能效的效率取96%。如果不考慮無功功率的節(jié)電量，只考慮有功功率節(jié)電量的情況下，額定功率下二級能效和三級能效異步電動機的自身損耗可根據式（1） 和式（2） 計算得出。

二級能效異步電動機的自身損耗為3.13 kW；三級能效異步電動機的自身損耗為3.95 kW。75 kW-4 三相異步電動機二級能效的損耗比三級能效要低0.82 kW。如果按每年運行8 000 h 計算，那么75 kW-4 三相異步電動機二級能效比三級能效每年節(jié)省電量6 560 kWh。如果電費按0.9 元/kWh進行計算，則每年節(jié)約電費5 904 元。

一臺三級能效75 kW-4 三相異步電動機的價格約為2.9 萬元，一臺二級能效75 kW-4 三相異步電動機的價格約為3.5 萬元，成本投入差值是0.6 萬元。按每年運行8 000 h 計算，二級能效75 kW-4 三相異步電動機運行一年多就可收回所增加的成本。該海上油田生產水泵電動機的最佳改造方案是選用二級能效75 kW-4 三相異步電動機進行節(jié)能改造。

3.2 節(jié)能效益分析

改造后電動機型號為YBX4-280S-4H，屬于二級能效電動機，其額定功率為75 kW，功率因數為0.88，效率為96.2%。

不考慮無功功率時，電動機改造后的節(jié)電量計算如表2 所示，改造后的節(jié)電率為2.70%，每小時節(jié)電量為1.73 kWh，一年按運行8 000 h 進行計算，則年節(jié)電量約為1.384×104kWh。

考慮無功功率時，電動機改造后節(jié)電量計算如表3 所示，有功功率的節(jié)約量為1.73 kW，無功功率節(jié)約量為2.66 W（三次變壓，無功經濟當量系數取0.08～0.10，取均值0.09 計算，換算成有功功率的節(jié)約量為0.24 kW）。改造后綜合節(jié)電率為2.93%，每小時節(jié)電量為1.97 kWh，一年按運行8 000 h 進行計算，年節(jié)電量為1.576×104kWh。

通過表1、表2 數據對比可以看出，相比于不考慮無功功率進行節(jié)電量計算，考慮無功功率時單位節(jié)電量增加了0.24 kWh， 計算結果偏差約13.87%；同理，節(jié)電率增加了0.23%，計算結果偏差約8.52%。

該海上油田購置YBX4-280S-4H 型電動機的價格約為3.5 萬元，電價為0.9 元/kWh，則不考慮無功功率時年節(jié)約電費約1.25 萬元，改造投資回收期為2.8 a；則考慮無功功率時年節(jié)約電費約1.42 萬元，改造投資回收期為2.46 a。

4 總結

隨著我國新的電動機能效標準的實施，海上油田很多低效電動機急需進行升級改造。高效異步電動機具有效率高、結構簡單、性能可靠、堅固耐用等優(yōu)點，是海上油田電動機節(jié)能改造的不錯選擇。

在電動機節(jié)能改造項目中，三相異步電動機二級能效比三級能效具有更高的節(jié)能效益和投資價值。無功功率對節(jié)電量、節(jié)電率、電費和投資回收期的計算都有很大的影響，為了更加精準的計算節(jié)能量，需對有功功率和無功功率的節(jié)能量分別進行計算。文中采用高效異步電動機對海上油田生產水泵電動機進行節(jié)能改造，取得了不錯的節(jié)能效果。經測算，改造后綜合節(jié)電率為2.93%，每小時節(jié)電量為1.97 kWh，一年按運行8 000 h 進行計算，年節(jié)電量為1.576×104kWh，相當于年節(jié)約6.3 tce，同時減少15.71 t 的CO2、0.47 t 的SO2、0.24 t 的NOx和4.29 t 碳粉塵的排放。