永磁調(diào)速技術(shù)在油田地面系統(tǒng)中的應(yīng)用

李江（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

杏北油田地面集輸系統(tǒng)目前已建脫水站7 座、放水站2 座、轉(zhuǎn)油（放水）站52 座，污水系統(tǒng)已建各類污水站29 座。隨著開發(fā)時間的延長，油田開發(fā)進入特高含水期，采出液物性與各項生產(chǎn)運行參數(shù)隨之變化，導(dǎo)致大部分機泵實際運行負荷與設(shè)計能力存在較大差異，機泵單耗升高，造成能源浪費。對此，杏北油田從“十一五”期間開始對機泵進行節(jié)能技術(shù)改造，主要采用變頻調(diào)速技術(shù)，但由于各站值班室均已安裝多面配電柜，部分站庫已沒有多余的空間加裝變頻裝置；因此，2010年開始應(yīng)用永磁調(diào)速技術(shù)對值班室內(nèi)的機泵進行節(jié)能改造。

1 永磁調(diào)速技術(shù)原理

永磁調(diào)速驅(qū)動器是通過改變電動機與負載之間的轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)調(diào)速的。它由導(dǎo)體轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子、調(diào)節(jié)機構(gòu)三部分組成（圖1）。通過導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對運動，從而在導(dǎo)體轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生交變感應(yīng)磁場，交變感應(yīng)磁場與交變永磁場相互嚙合，進而產(chǎn)生扭矩，將動力傳到負載側(cè)[1]。電動機與負載設(shè)備轉(zhuǎn)軸之間無須機械連接，電動機旋轉(zhuǎn)時帶動導(dǎo)磁盤在裝有強力稀土磁鐵的磁盤所產(chǎn)生的強磁場中切割磁力線，因而在導(dǎo)磁盤中產(chǎn)生渦電流。該渦電流在導(dǎo)磁盤上產(chǎn)生反感磁場，拉動導(dǎo)磁盤與磁盤的相對運動，從而實現(xiàn)了電動機與負載之間的轉(zhuǎn)矩傳輸。

當永磁調(diào)速裝置接到一個控制信號后，如壓力、流量、液面高度等信號傳到永磁調(diào)速驅(qū)動器的控制器，控制器對信號進行識別和轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生一個機械操作指令，來調(diào)節(jié)導(dǎo)磁體和永磁體之間的間隙大?。徊⒏鶕?jù)適時的負載輸入扭矩的要求來調(diào)節(jié)永磁調(diào)速驅(qū)動器輸入端的扭矩大小，最終改變電動機輸出功率，實現(xiàn)對工業(yè)水泵輸出流量和/或壓力的連續(xù)控制，達到電動機節(jié)能和提高電動機工作效率。

圖1 永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)

2 現(xiàn)場應(yīng)用效果及適應(yīng)性

目前杏北油田共安裝永磁調(diào)速裝置20 套，污水系統(tǒng)、集輸系統(tǒng)各10 套，其中集輸系統(tǒng)主要安裝在摻水泵及污水泵上。

2.1 污水系統(tǒng)

以杏六三元、聚杏九污水站、污水泵以及聚杏Ⅱ-1、杏十三元污水站升壓泵為例進行分析。四站安裝永磁調(diào)速裝置后節(jié)能效果顯著，平均節(jié)電率達58.34%，平均年節(jié)電量為20.28×104kWh，平均投資回收期為2.04年（表1）。

表1 污水系統(tǒng)永磁調(diào)速運行情況對比

表2 集輸系統(tǒng)永磁調(diào)速運行情況對比

污水系統(tǒng)在永磁調(diào)速安裝、試運過程中未出現(xiàn)較大問題，正式投產(chǎn)以來運行平穩(wěn)，無明顯震動，噪音指標正常。

2.2 集輸系統(tǒng)

以杏北1901、1101、三元-3 轉(zhuǎn)油站摻水泵以及聚九轉(zhuǎn)油放水站、杏十聯(lián)輸油崗污水泵為例進行分析。運行數(shù)據(jù)顯示污水泵較摻水泵節(jié)電效果明顯，其主要原因是摻水泵出口壓力要求較高，為保證摻水壓力穩(wěn)定并達標，實際生產(chǎn)中執(zhí)行器開度較小，節(jié)電效果遠低于污水泵。摻水泵上安裝永磁調(diào)速裝置后，平均節(jié)電率達9.34%，平均年節(jié)電量為4.97×104kWh，平均投資回收期為6.62年。污水泵上安裝永磁調(diào)速裝置后，平均節(jié)電率達51.03%，平均年節(jié)電量為20.72×104kWh，平均投資回收期為1.63年（表2）。

2.3 技術(shù)適應(yīng)性

2.3.1 技術(shù)優(yōu)勢

1）電動機和負載由原來的硬（機械）鏈接轉(zhuǎn)變?yōu)檐洠ù牛╂溄樱鉀Q了旋轉(zhuǎn)負載系統(tǒng)的對中、軟啟動、減震、調(diào)速等問題，并且使驅(qū)動的傳動效率大大提高。

2）永磁調(diào)速驅(qū)動器可以通過調(diào)整氣隙讓電動機空載啟動。當電動機達到額定轉(zhuǎn)速后，調(diào)節(jié)氣隙，使負載穩(wěn)定逐步加速到所需轉(zhuǎn)速，這可以大大降低啟動過程中的電流沖擊、電動機線圈發(fā)熱、流量急劇變化等問題造成的影響[2]。

3）容忍對心誤差，其允許較大的軸對心偏離與軸線角度偏離（允許最大軸中心線偏離5 mm，角度偏離1°)，大大簡化了安裝調(diào)試過程。

4）無諧波污染，不傷害電動機，不影響電網(wǎng)功率因數(shù)，避免了電器設(shè)備損耗，提高了設(shè)備的運行效率和壽命。

5）永磁調(diào)速驅(qū)動器是通過改變電動機與負載之間的滑差實現(xiàn)調(diào)速的，即電動機轉(zhuǎn)速始終維持設(shè)計轉(zhuǎn)速，不會因為電動機轉(zhuǎn)速下降導(dǎo)致其過熱。

6）裝置放在泵房，解決了傳統(tǒng)變頻技術(shù)帶來的噪音影響，保護了員工的身心健康。

2.3.2 技術(shù)劣勢

1）該項技術(shù)與變頻技術(shù)相比，投資較高，為變頻技術(shù)的3 倍。

2）改造泵需有連軸器且電動機末端要有安裝空間，需向后移動電動機60 cm，造成大部分轉(zhuǎn)油站機泵移動后安全距離不夠1 m。

3）需要人工調(diào)節(jié)手操器完成控制泵排量，增加了操作人員的勞動強度。

3 永磁調(diào)速自動控制技術(shù)方法研究

永磁調(diào)速技術(shù)主要應(yīng)用于油田污水崗升壓罐液位、反洗罐液位控制，轉(zhuǎn)油站摻水壓力控制。根據(jù)現(xiàn)場電動機使用情況及儀表安裝情況，分別設(shè)計了3 種不同的方式實現(xiàn)永磁調(diào)速自動控制。

方式一：現(xiàn)場使用FYJ 液位計監(jiān)測液位，根據(jù)液位值手動調(diào)節(jié)智能手操器實現(xiàn)對液位的控制。將無控制輸出功能的FYJ 顯示儀表更換為有控制輸出功能的FYJ 顯示儀表，利于FYJ 液位顯示儀表自帶位置式PID 控制功能。設(shè)置液位控制設(shè)定值，將輸出信號傳遞給智能手操器，通過設(shè)定相應(yīng)參數(shù)實現(xiàn)智能手操器對泵的自動調(diào)節(jié)（圖2）。

圖2 方式一控制結(jié)構(gòu)圖

方式二：現(xiàn)場使用壓力變送器采集罐液位，根據(jù)液位值手動調(diào)節(jié)智能手操器實現(xiàn)對液位的控制。需要安裝1 臺一分二安全柵和1 臺智能調(diào)節(jié)器，一分二安全柵將液位信號分流，智能調(diào)節(jié)器接收液位信號后向智能手操器輸出控制命令，最終由手操器實現(xiàn)對泵的自動控制（圖3）。

圖3 方式二控制結(jié)構(gòu)圖

方式三：現(xiàn)場使用壓力變送器采集計量間摻水匯管壓力，通過測控系統(tǒng)顯示，根據(jù)壓力值手動調(diào)節(jié)智能手操器實現(xiàn)對壓力的控制。需要增加測控系統(tǒng)模擬量輸出模塊1 個，輸出式安全柵1 臺。在測控系統(tǒng)建立PID 功能模塊，以匯管壓力作為輸入值，通過輸入值與設(shè)定值之差，計算PID 輸出值。由模擬量輸出模塊輸出控制信號，由智能手操器實現(xiàn)對泵的自動控制（圖4）。對于現(xiàn)場未使用壓力變送器的加裝壓力變送器。

圖4 方式三控制結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論

1）在永磁調(diào)速技術(shù)改造前期選擇階段，需對泵軸、軸承、葉輪進行檢查，盡量選擇各部件完好的泵進行安裝，避免拖長改造時間和影響節(jié)能效果。

2）從安裝、運行過程中看，今后安裝永磁調(diào)速裝置的機泵需重新做基礎(chǔ)，從根本上避免運行震動大的問題。

3）從節(jié)能效果上看，泵壓低的機泵更加適合應(yīng)用永磁調(diào)速技術(shù)，該類機泵進行節(jié)能改造后節(jié)電效果顯著，平均節(jié)電率達50%以上，投資回收期2年以下。

4）永磁調(diào)速自動控制技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用后，可實現(xiàn)罐液位和計量間摻水匯管壓力的自動控制，提高永磁電動機使用效率，減少員工勞動強度，保證安全生產(chǎn)。

[1]盧永.永磁調(diào)速在機泵節(jié)能改造的應(yīng)用[J].石油石化節(jié)能,2013(10):33.

[2]鄭煒科.永磁調(diào)速系統(tǒng)(PMD)與節(jié)能[J].上海節(jié)能,2009(6):28.