混磁同步電動機節(jié)能應(yīng)用探討

劉連鋒（大慶油田自動化儀表有限公司）

1 油田電動機應(yīng)用現(xiàn)狀存在問題

1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

電動機是石油生產(chǎn)的主要動力，其耗電量占原油生產(chǎn)的比重很大，機械采油、注水、油氣集輸三大系統(tǒng)的電力驅(qū)動裝置幾乎全部為電動機，因此可以說電動機是油田的主要用電設(shè)備，占總耗電量的80%，其中絕大多數(shù)采用普通三相異步電動機，耗電總量呈逐年上升趨勢，因此電動機的節(jié)能已成為油田節(jié)電的主要領(lǐng)域[1]。

油田配電網(wǎng)的負(fù)荷絕大多數(shù)為感應(yīng)電動機所帶的泵類負(fù)荷[2]，油田內(nèi)的電動機除注水電動機以外，其它用途的電動機輕載現(xiàn)象非常普遍。以采油三廠北一丁一排西段線路為例，該線路有23 處負(fù)荷結(jié)點，連接的電動機總功率為1 289 kW，而該線路正常運行的有功負(fù)荷僅為249 kW，電動機平均負(fù)載率僅為24.6%。

由感應(yīng)電動機典型運行特性曲線可知，電動機在滿載附近運行效率和功率因數(shù)較高，而在輕載時效率和功率因數(shù)顯著下降，當(dāng)負(fù)荷低于30%額定容量時，電動機效率低于60%，功率因數(shù)低于0.4。

造成油田內(nèi)電動機輕載現(xiàn)象的原因，主要是油田內(nèi)使用普通電動機和淘汰型電動機占多數(shù)，這些電動機啟動轉(zhuǎn)矩或最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比例相對較小，所以人們在給設(shè)備配置電動機時，出于對設(shè)備啟動和安全運行的考慮，不得不選擇容量較大的電動機。如果在選擇時，留有的裕度很大，就會使電動機嚴(yán)重輕載[3]。

電動機輕載運行一方面會給電網(wǎng)帶來不良后果[4]，使電網(wǎng)運行功率因數(shù)下降，網(wǎng)損率增加，另一方面為防止這種后果發(fā)生，人們不得不采取無功補償、調(diào)壓運行等措施，又增加了節(jié)能設(shè)備的投資[5]。

1.2 節(jié)能措施存在問題

當(dāng)前油田上常使用的節(jié)能電動機產(chǎn)品為：高轉(zhuǎn)差電動機和永磁同步電動機[5]。

應(yīng)用新型節(jié)能電動機替代普通電動機，是解決對于油田內(nèi)經(jīng)常連續(xù)運行的高耗能電動機應(yīng)更換節(jié)能型，以提高設(shè)備運行效率，并降低損耗，是解決此問題的一條途徑。根據(jù)實測計算，兩種節(jié)能電動機的節(jié)能效果見表1。

表1 節(jié)能電動機的節(jié)能效果

高轉(zhuǎn)差電動機是異步電動機的一種，相比普通異步機，具有較高的運行柔性，其效率特性與異步機類似，從能量轉(zhuǎn)換效率方面并不比普通異步電動機節(jié)能，但由于其轉(zhuǎn)差率較高，在實際運行中表現(xiàn)出較大的柔性[6]。在抽油機拖動電動機運轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，只有電動機加速到同步轉(zhuǎn)速之上才發(fā)電制動，由于其額定轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速之差較大，整個提速過程可儲存較大動能，在抽油機轉(zhuǎn)過不需拖動運行的區(qū)間后，這部分能量自然用于拖動系統(tǒng)運行，從而產(chǎn)生節(jié)能效果。這個過程完全有電動機特性和抽油機狀態(tài)決定，完全不受控制。同時，高轉(zhuǎn)差電動機無法調(diào)速，無法便捷地配合采油工藝需要隨時調(diào)沖次，實際生產(chǎn)中，在井況變化較大的油井應(yīng)用時節(jié)電效果不明顯。

永磁同步電動機由于采用永磁體作為轉(zhuǎn)子材料，所以沒有轉(zhuǎn)子損耗，電動機效率高，但是由于其電動機的特性比異步電動機還要硬（電動機基本上沒有速降），沒有辦法改善系統(tǒng)效率，節(jié)電效果一般。同時由于油井的復(fù)雜工況，會出現(xiàn)結(jié)蠟，砂堵等現(xiàn)象導(dǎo)致負(fù)載急劇增加，電動機電流和溫度會急劇增加，而永磁電動機的永磁體在高溫或強磁場反向激磁條件下，會產(chǎn)生退磁現(xiàn)象，退磁后，電動機效率急劇下降。負(fù)載過大、堵轉(zhuǎn)時，相對散熱不足，會引起溫度過高，使永磁體退磁，目前這種退磁現(xiàn)象可通過加裝溫度繼電器等措施有效避免。強磁場反向激磁相當(dāng)于對永磁體充磁的相反過程。當(dāng)前油田上應(yīng)用的永磁同步電動機，其啟動是一個強電流異步運行過程，必然會造成強磁場反向激磁。在運行過程中，如果負(fù)載過大，會造成不同步運轉(zhuǎn)現(xiàn)象，同樣會造成反向激磁[7]。一旦永磁體磁場處于不飽和狀態(tài)，其退磁速度會逐漸加快，最終造成永磁體磁場大幅度減弱，兩種電動機節(jié)能特點見表2。

表2 兩種電動機節(jié)能特點的對比

1.3 解決方法

油田電動機節(jié)能主要從以下兩個方面：從電動機本身考慮：提高電動機的效率和負(fù)載率；從系統(tǒng)考慮，改變電動機的機械特性使得機，桿，泵整個系統(tǒng)達到較好的配合，提高系統(tǒng)效率[8]。

2 混磁同步電動機的應(yīng)用

2.1 抽油機專用混磁同步電動機

2.1.1 原理

不同于傳統(tǒng)電動機依靠轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生的磁場間相互作用而形成轉(zhuǎn)矩，VTR 系列混磁同步電動機遵循磁阻最小原理：磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合，由磁場扭曲產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩[9-10]。

2.1.2 效率特性

由于同屬于同步電動機的范疇，VTR 系列混磁同步電動機具有同永磁同步電動機相同的特性，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場完全同步。混磁同步電動機與三相異步電動機損耗對比見圖1，混磁同步電動機與三相異步電動機有效負(fù)載區(qū)對比見圖2，混磁同步電動機與三相異步電動機力矩特性對比見圖3。

圖1 兩種電動機損耗對比

圖2 兩種電動機有效負(fù)載區(qū)對比

圖3 兩種電動機力矩特性對比

2.2 混磁同步電動機應(yīng)用特點

相比較永磁同步電動機而言：具有永磁同步電動機低速大力矩，轉(zhuǎn)子無損耗，節(jié)能效果優(yōu)異，由于不采用稀土材料，規(guī)避了永磁同步電動機不穩(wěn)定的缺點[10]。

相對于異步電動機而言：具有免維護，壽命長，穩(wěn)定性高的特點。

2.3 實現(xiàn)功能

磁同步電動機是結(jié)合了高轉(zhuǎn)差電動機和永磁同步的優(yōu)點，既能夠保有永磁同步電動機高效率的特點，又可以像高轉(zhuǎn)差電動機那樣能夠改變電動機的機械特性來提高抽油機的系統(tǒng)效率，達到節(jié)能的效果。通過高精度的轉(zhuǎn)矩控制，采用轉(zhuǎn)矩與速度曲線，使得抽油機專用混磁同步電動機能夠在受到大負(fù)荷的時候，出現(xiàn)速降，當(dāng)負(fù)載降低，速度快速提升。改善機、桿、泵的配合，提高泵的充滿度。提高游梁式抽油機的系統(tǒng)效率。有效的降低了抽油桿的負(fù)載沖擊，延長桿，減速機的壽命。

2.4 主要指標(biāo)

1）混磁同步電動機系統(tǒng)節(jié)電率可以達到20%以上（相比較三相異步電動機）。

2）混磁同步電動機如配合伺服控制系統(tǒng)輸入側(cè)功率因數(shù)可以達到0.98 以上，有效的降低線損及裝機容量。

3 應(yīng)用效果

混磁同步電動機在采油六廠二礦205 隊喇5-2411 油井安裝試用，在實際運用過程中工作效率大大提高，安裝調(diào)試后，投入運行三個多月，狀態(tài)良好，安全可靠，喇5-2411 油井電動機對比測算見表3。

表3 喇5-2411 油井電動機對比測算

在該系統(tǒng)安裝前系統(tǒng)效率為32.01%，安裝后系統(tǒng)效率為39.75%，有功節(jié)電率為19.21%，無功節(jié)電率為79.41%。經(jīng)過計算綜合節(jié)電率為23.91%。按綜合節(jié)電率超出15%計算，應(yīng)用混磁同步電動機，每口井平均年節(jié)約電費約2 萬余元，隨著新建機采井?dāng)?shù)量的增加，節(jié)電的效益將更大。

4 結(jié)論

混磁同步電動機在實際生產(chǎn)應(yīng)用過程中，真正實現(xiàn)了節(jié)能，穩(wěn)定性高的特點，提高了油田管理效率，降低管理成本，是很有發(fā)展前途的一種新型電動機，它的開發(fā)將為我國節(jié)能電動機和高性能電動機的發(fā)展開辟一條新的途徑，其突出的節(jié)能效果值得在油田系統(tǒng)中得到推廣應(yīng)用。