注聚泵永磁直驅(qū)節(jié)能技術現(xiàn)場應用研究

孟令尊（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

喇嘛甸油田注入系統(tǒng)共有注聚泵1134 臺，主要采用電動機通過皮帶傳動給曲軸箱，存在以下幾方面問題：一是驅(qū)動電動機使用的是異步電動機，無功功率損耗較高；二是電動機經(jīng)皮帶傳動給曲軸箱，必然因摩擦損失一部分能量；三是運行時震動較大，泵出口管線震裂、儀表計量誤差變大或損壞等現(xiàn)象時有發(fā)生。注聚泵永磁直驅(qū)節(jié)能技術使用的是永磁電動機，設計轉(zhuǎn)速低，不存在無功損耗，傳動方式采用的是永磁電動機經(jīng)疊片式撓性聯(lián)軸器直接驅(qū)動曲軸箱，沒有皮帶傳動間的能量損失，運行時震動小，降低了泵出口管線開裂和儀表故障的發(fā)生率。因此注入系統(tǒng)注聚泵應用永磁直驅(qū)節(jié)能技術可大幅降低喇嘛甸油田注聚開發(fā)的運行能耗和費用。

1 注聚泵永磁直驅(qū)節(jié)能裝置工作原理和特性

注聚泵永磁直驅(qū)節(jié)能裝置是由專用驅(qū)動器、低轉(zhuǎn)速大力矩永磁電動機和疊片撓性聯(lián)軸器構成。

1.1 專用驅(qū)動器特性

注入泵所使用的永磁電動機需由專用驅(qū)動器進行控制，如果用普通變頻器驅(qū)動永磁電動機效果并不好，這是由于永磁同步電動機和異步電動機具有完全不同的工作原理決定的。永磁同步電動機的內(nèi)部等效氣隙要比異步電動機大得多，因此永磁同步電動機有比普通異步電動機小得多的主電感和電氣時間常數(shù)。普通變頻器最初被設計是用來驅(qū)動大電感量異步感應電動機的，如被用于驅(qū)動永磁同步電動機，其輸出電流紋波將比驅(qū)動異步電動機時的電流紋波大得多。所以使用普通變頻器控制永磁電動機時電流很大，即起不到節(jié)能的效果，還容易發(fā)生故障，并且使用壽命大大縮短。對注入系統(tǒng)注聚泵來說，專用驅(qū)動器必須在以下三方面作特殊處理才能保證效果。

1.1.1 V/F控制處理

V/F 控制就是電壓/頻率要保持一定比值，即驅(qū)動頻率調(diào)整時電壓必須隨之變化，否則電動機不能承受。普通感應電動機因為電感大，電壓變化對電流影響小，而永磁電動機因為電感小，所以對電壓特別敏感，如果V/F 曲線設計不好，即使相位差一點，都會嚴重影響其效率。不同頻率段的V/F 比值還不一樣，不同的電動機也不一樣，這就要求專用驅(qū)動器具有靈活的設定能力，并且整體裝置在出廠前要根據(jù)永磁電動機不同性能調(diào)整好。

1.1.2 電壓追蹤處理

對油田電網(wǎng)來說，電壓波動比較大，V/F 控制時不能以輸入的電網(wǎng)電壓為準，否則會偏離控制曲線，需要在驅(qū)動器中特別設計一個電路能跟蹤檢測并及時調(diào)整電壓，才能保證V/F 控制的真正實現(xiàn)。

1.1.3 直驅(qū)特殊要求

驅(qū)動器啟動永磁電動機時，首先要尋找轉(zhuǎn)子磁極，然后調(diào)整好磁場方向，這樣才能帶動轉(zhuǎn)子，如果磁場N極沒有找準轉(zhuǎn)子S 極，就無法啟動電動機。尋找轉(zhuǎn)子磁極可以用位置傳感器的辦法，但弊病和隱患很多，現(xiàn)在都采取軟辦法，即通過磁場分布算出磁極位置。注聚泵使用的直驅(qū)電動機設計為30極，額定轉(zhuǎn)速200r/min，使用磁鋼多，密度大，尋找磁極難度也大，分辨率要求高，驅(qū)動器相關元件必須采用更高級別的標準。

1.2 永磁電動機工作原理及特性[1]

永磁電動機的轉(zhuǎn)子部分是用釹鐵硼永磁體制作而成，剩磁矯頑力非常強，功率可以做得很大。其工作原理是：電動機磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標，利用從靜止坐標軸系到旋轉(zhuǎn)坐標軸系之間的變換，則可以把定子電流中的勵磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量分解成兩個垂直的直流變量并分別進行控制，從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。

由于永磁電動機與異步電動機結(jié)構不同，所以其工作特性截然不同。對于永磁電動機，轉(zhuǎn)子上嵌有磁鋼，本身就有磁場，定子旋轉(zhuǎn)磁場N極吸引轉(zhuǎn)子S 極，S 極吸引轉(zhuǎn)子N極，帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，二者速度相同。注聚泵永磁直驅(qū)節(jié)能裝置使用的永磁電動機設計磁極為30極，轉(zhuǎn)速200r/min。而目前注聚泵所使用的三相異步電動機磁極為8極，轉(zhuǎn)速730 r/min，利用扭矩公式可計算出在同等功率條件下永磁電動機扭矩是三相異步電動機扭矩的4 倍。因此可以不用皮帶傳動等放大力矩環(huán)節(jié)而直接拖動泵類負載。

為延長永磁電動機使用壽命，注聚泵永磁直驅(qū)節(jié)能裝置所使用的永磁電動機在設計上定子繞組使用的是F 級絕緣材料，耐溫等級155℃，轉(zhuǎn)子磁鋼使用的是用釹鐵硼永磁體制作而成，耐溫等級為180℃，為延長轉(zhuǎn)子磁鋼因溫度過高而導致退磁情況的發(fā)生，在電動機內(nèi)置有繞組熱敏電阻，當溫度超過120℃時驅(qū)動器會保護停機。通過使用高性能材料和采取有效的保護措施，延長了永磁電動機的退磁時間，充磁周期在10~12年。

1.3 疊片撓性聯(lián)軸器特性

疊片式撓性聯(lián)軸器其主動端安裝盤和從動端安裝盤分別與主動、從動軸聯(lián)接，安裝盤與間隔軸通過螺栓、疊片組件、襯套及自鎖螺母緊固，其特征是疊片組件中膜片的兩側(cè)分別裝有定心環(huán)，定心環(huán)與膜片合為一體，依靠膜片的彈性變形原理來補償所聯(lián)兩軸的相對位移，結(jié)構較緊湊，強度高，使用壽命長，無旋轉(zhuǎn)間隙，不受溫度和油污影響。永磁直驅(qū)節(jié)能裝置采用兩組疊片（即雙法蘭），可以同時曲向不同的方向，提高兩軸線偏移補償約1.5度，能保證良好的對中和動平衡精度，承受偏差時作用在軸和軸承上的應力更小，同時傳遞的扭矩更多。

2 注聚泵永磁直驅(qū)技術應用研究

在聚喇2-3#注入站的3#、4#、5#、9#4 臺比例調(diào)節(jié)注聚泵安裝永磁直驅(qū)節(jié)能裝置，因為永磁直驅(qū)節(jié)能裝置是異步電動機扭矩的4倍，又因注聚泵的電動機負荷率在55%以內(nèi)，考慮到永磁直驅(qū)節(jié)能裝置的動力性和經(jīng)濟性，4 臺比例調(diào)節(jié)注聚泵均使用降級安裝。其中用15 kW 永磁直驅(qū)節(jié)能裝置替代18.5 kW 異步電動機3套，23kW 永磁直驅(qū)節(jié)能裝置替代30kW 異步電動機1套，見圖1。

圖1 安裝前后示意圖

2.1 節(jié)能效果分析

為驗證注聚泵永磁直驅(qū)技術的節(jié)能效果，分別記錄四臺比例調(diào)節(jié)注聚泵工頻運行狀態(tài)、變頻運行狀態(tài)和永磁直驅(qū)運行狀態(tài)的注入壓力、日注入母液量和日耗電量數(shù)據(jù)對比節(jié)能效果，見圖2。

圖2 各運行狀態(tài)下耗電曲線

3#比例調(diào)節(jié)注聚泵耗電量由原每天178kW h降到每天105 kW h；4#比例調(diào)節(jié)注聚泵耗電量由原每天225 kW h降到每天114 kW h；5#比例調(diào)節(jié)注聚泵耗電量由原每天167kW h降到每天104 kW h；9#比例調(diào)節(jié)注聚泵耗電量由原每天372 kW h降到每天225 kW h。從節(jié)能效果上分析，各安裝注聚泵永磁直驅(qū)節(jié)能裝置與工頻運行狀態(tài)下相比，節(jié)電率達到40%左右。與變頻節(jié)能技術相比，平均高出變頻器節(jié)能效率的35%左右。三種運行狀態(tài)下耗電情況見表1。

2.2 各傳動技術運行效果分析

注聚泵永磁直驅(qū)節(jié)能技術與直驅(qū)齒輪驅(qū)動技術相比無需采用齒輪變速機構，因此震動更小，與皮帶傳動技術相比震動也有所下降，為測量注聚泵永磁直驅(qū)節(jié)能技術與直驅(qū)齒輪驅(qū)動技術和皮帶傳動技術的震動幅度，分別在采用三種傳動技術的電動機、泵頭、管線選取相同部位的點進行測量，見表2。從測試結(jié)果來看，采用永磁直驅(qū)節(jié)能技術的電動機、泵頭、管線的震動幅度均比直驅(qū)齒輪驅(qū)動技術和皮帶傳動技術低，尤其是采用永磁直驅(qū)節(jié)能技術的管線震動幅度遠低于直驅(qū)齒輪驅(qū)動技術管線的震動幅度。由于直驅(qū)齒輪驅(qū)動技術管線的震動幅度過大，所以經(jīng)常造成管線焊口開裂而發(fā)生高壓刺漏事故，存在較大安全隱患。

表1 三種運行狀態(tài)下平均日耗電情況統(tǒng)計

表2 各傳動技術震動幅度對比

另外永磁直驅(qū)節(jié)能電動機額定轉(zhuǎn)速為200r/min，與齒輪變速機構技術所使用的730r/min異步電動機相比轉(zhuǎn)速更低，結(jié)構更加緊湊，設備對安裝、調(diào)試、維護的要求降低，克服了直驅(qū)齒輪驅(qū)動機構安裝要求高、調(diào)試困難和維修維護復雜等缺點。

2.3 適合注入系統(tǒng)要求分析

注聚泵永磁直驅(qū)節(jié)能技術能夠滿足注聚生產(chǎn)需要。永磁直驅(qū)節(jié)能裝置所使用的永磁電動機運行時發(fā)熱量低，在環(huán)境條件允許的情況下電動機不需要風扇散熱，消除了風阻，為進一步降低能耗提供了空間；系統(tǒng)運行時噪聲小，全速運行時僅為45 dB左右。三種傳動技術運行噪聲對比見表3。

表3 單臺注聚泵運行噪聲對比

注聚泵永磁電動機輸出力矩是普通電動機輸出力矩4 倍以上，轉(zhuǎn)速降至1/4 左右時，效率、功率因數(shù)仍較高，運行依然平穩(wěn)。速度可以在1~50H z的全部轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)調(diào)整，速度控制準確，單井注入系統(tǒng)工藝參數(shù)不存在波動，系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定運行而溫升較小，通過調(diào)整專用控制器的運行頻率隨時滿足注入要求。以4#泵進行測試，室內(nèi)環(huán)境溫度29.4 ℃，所轄三口單井排量為0.79m3/h、0.34 m3/h、0.64 m3/h，注入壓力為12.5M Pa、13.4 M Pa、9.9M Pa，運行頻率43.3H z。4#注聚泵分別測試了15H z、20H z、25 H z三種頻率運行下注聚泵注入?yún)?shù)，（表4）。

表4 4#比例調(diào)節(jié)注聚泵不同頻率永磁直驅(qū)節(jié)能裝置運行狀態(tài)

3 結(jié)論

通過采用注聚泵永磁直驅(qū)節(jié)能技術，達到了以下幾方面的要求：一是節(jié)電比較明顯，與普通電動機相比平均節(jié)電率達到40%以上；二是無級調(diào)速范圍寬，速度可以在1~50 H z的全部轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)調(diào)整，系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定運行，電動機溫升情況正常，電動機無嚴重發(fā)熱現(xiàn)象；三是震動小、系統(tǒng)運行時噪聲小；四是系統(tǒng)運行電流穩(wěn)定，不會對電網(wǎng)造成影響，諧波抑制比較理想。

[1]王秀和.永磁電動機[M].北京:中國電力出版社,2007:17-337.