永磁電動機在安塞油田抽油機上的應用與節能分析

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，常按抽油機最大負荷來選配電動機。電動機軸上的負荷轉矩是油井負荷與抽油機平衡塊轉矩的合成轉矩，而抽油機正常運行時，平均負荷只有最大負荷的30%左右。安塞油田生產中電動機用電巨大，異步電動機的用電量又占油田用電總量的75%～85%，電動機和抽油機負荷運行中的不匹配導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）高效節能[1]：永磁電動機（圖1）采用銣鐵硼永磁體作為轉子磁勢源，不需要勵磁線圈和集電環，轉子達到同步轉速時，既無銅耗又無鐵耗。由于定子電流降低，相應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）功率因數高：該電動機沒有激磁功率，由轉子提供能量，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，啟動轉矩大，克服抽油機死點，啟動轉矩達到3.5倍，而且啟動平穩，在實際使用中降低裝機功率。

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

由于以上眾多優良的特性使其在油田生產中得到推廣。

2 應用與節能效果分析

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

表1 永磁電動機與普通異步轉子電動機的參數對比

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

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

表2 永磁電動機與普通異步轉子電動機的參數對比

表3 永磁電動機與普通異步轉子電動機的參數對比

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

從以上數據看，永磁電動機的節能效果明顯。經過試點推廣后，加快了推廣度，在產油量同去年相比變化不大情況下，累計同比節電19%，經濟效益顯著。

在永磁電動機逐步推廣的過程中，使用效果較好，但發現部分永磁電動機在使用時間較長或其他原因導致系統效率下降、功率因數不高、上下電流峰值過大等問題，嚴重影響了抽油機節能的目標，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，平均過載已經超過100%，電動機已經嚴重過載，發熱嚴重。原因是由于片面地追求節能盡可能選用小功率的永磁電動機，從而導致抽油機電動機不能正常工作（表4）。

根據抽油機的實際負載情況更換永磁電動機，初步計算選型認為，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對比

圖2 電參數曲線

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，然而功率因數僅為0.53，遠遠不符合正常狀態下的永磁電動機工作參數，特別應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。該井的電壓發生了改變，所以導致永磁電動機功率因數低，功耗高，工作狀態不穩。因此，要根據測試數據及時調整電壓，提高永磁電動機效率（圖3）。

3.3 功率因數較低

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。然而抽油機井系統效率只有14.18%，功率因數僅為0.42，遠遠不符合正常狀態下的永磁電動機工作性能參數（表6）。

永磁電動機存在功率因數過低的現象，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據

表6 TNYC225S-12永磁電動機的測試數據

圖3 電參數曲線

4 結論

1）永磁電動機在安塞油田的推廣應用整體效果突出，達到了提高抽油機電動機功率因數接近0.98的目標，實現了機采系統節能降耗，在保證周期性的電力參數跟蹤監測前提下，值得進一步的推廣和應用。

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

3）永磁電動機對功率因數的提高程度和電動機自身性能參數有關，還與電動機負載率和工作電壓有關，即在供電電壓一定時，電動機的負載率越低功率因數越低，供電電壓越接近臨界反電動勢值時功率因數越高；因此，合理地調整供電電壓和選擇匹配的裝機功率對功率因數的提高很重要。由于功率因數的提高，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的沖擊，對電動機也起到一定的保護作用。

4）永磁電動機作為一種新型的拖動系統，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不當，不僅造成系統的嚴重損壞，達不到節能的效果，還會影響油井的產量。

[1]唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M].北京:機械工業出版社,1997:20-21.

[2]陳丕璋.電動機節能技術[M].北京:科學出版社,1989:36-37.