抽油機應用永磁變頻電動機節能效果分析

郭士英（大慶頭臺油田開發有限責任公司）

為保證原油持續穩產，油田在“十四五”期間預計年均增加機采井數2 290 口，機采井年耗電量增加1.42×108kWh。機采能耗總量控制將隨著開發規模不斷增大變得更加困難，機采井能耗控制形勢嚴峻[1]。

電動機是石油生產的主要動力，也油田主要用電設備，其耗電量約占原油生產總耗電量的80%左右。大慶油田常規抽油機數量較多，其中絕大多數采用普通三相異步電動機，Y 系列電動機較多，能耗高[2]。因此，電動機節能是油田節電的主要領域，運用先進的節能技術及措施提高抽油機井的系統效率，降低能耗，對挖掘其節能潛力、創造經濟效益，提高能效管理水平有很大意義。

1 油田電動機應用現狀

1.1 部分淘汰設備在用

2009年12 月，工業和信息化部發布《高耗能落后機電設備（產品）淘汰目錄（第一批）》公告， 2012年、2014年和2016年又相繼發布了第二、三、四批淘汰目錄，見表1。

表1 中小型三相異步電動機淘汰型號與淘汰日期

目前油田采油井總數為74 801 口，其中抽油機井占總井數的81.8%（老區50.5%，外圍31.3%）；螺桿泵井和電泵井分別占10%和1.5%。通過對9 178 口機采井進行現場監測，在現場檢查過程中發現，有934 臺在用電動機為淘汰設備，占監測總量的10.18%，說明目前仍有一定數量的淘汰電動機在用。為提高設備運行效率，降低油田生產能耗，實現提質增效，必須對高耗能落后機電設備進行淘汰更新。

1.2 電動機負載率低

游梁式抽油機是四連桿機構，啟動時靜載力矩較大，正常工作時驢頭懸點載荷特性是交變的[3]。電動機的電流、功率、功率因數隨著抽油桿上下沖程的變化而變化，為了克服啟動時負載的靜載力矩，對于普通的Y 系列電動機只能加大容量，造成抽油機運行過程中“大馬拉小車”現象[4]。目前抽油機井電動機負載率是最低的，通過現場監測可知，抽油機電動機平均負載率小于30%，油田機采井電動機功率利用率情況見表2，運行效率低于80%，“大馬拉小車”現象較普遍，降低了配電線路的功率因數，配電線路網損增大[5]。

表2 油田機采井電動機功率利用率情況

通過對油田在用電動機情況進行統計，機采系統在用Y 系列電動機數量占其在用電動機總量的37.15%，普通異步電動機容量不能根據油井工況進行調整，在低負載情況下效率更低，能耗量高[6]。

2 永磁變頻電動機的應用

2.1 技術特點

永磁電動機結構和普通的三相異步電動機一樣，都是由定子、轉子、機殼、冷卻系統等組成[7]。但是永磁電動機有其獨特的結構，在轉子上放有永磁體磁極。永磁變頻電動機具有以下特點，永磁變頻電動機結構見圖1。

圖1 永磁變頻電動機結構圖

2.1.1 效率高、更加省電

由于永磁同步電動機的磁場是由永磁體產生的，轉子沒有鋁耗，其在輕載時效率值要比普通三相異步電動機高很多永磁變頻電動機與異步電動機效能對比見圖2。同時永磁電動機參數不受電動機極數的影響，因此便于設計成多極電動機，可以做成直接用永磁同步電動機驅動的直驅系統，提高了傳動效率[8]。

圖2 永磁變頻電動機與異步電動機效能對比

2.1.2 功率因數高

永磁同步電動機在設計時，其功率因數可以調節，甚至可以設計成功率因數等于1，且與電動機極數無關，永磁變頻電動機與異步電動機功率因數對比見圖3。

圖3 永磁變頻電動機與異步電動機功率因數對比

2.1.3 啟動力矩大、噪音小、溫升低

永磁同步電動機在低頻的時候仍能保持良好的工作狀態，低頻時的輸出力矩較異步電動機大，運行時的噪音小[9]；轉子無電阻損耗，定子繞組幾乎不存在無功電流，因而電動機溫升低，同體積、同重量的永磁電動機功率可提高30%左右[10]。隨著電動機效率的增高，相應地損耗降低，電動機溫升減小，在采用相同絕緣等級的情況下，電動機的體積可以設計的更小；電動機結構的靈活性，可以省去電動機內許多無效部分，如繞組端部，轉子端環等，相應體積可以更小。

2.2 現場應用

2019年，在采油三廠對4 臺安裝永磁變頻電動機的抽油機進行了現場節能效果測試，通過對其改造前后進行現場比對測試，安裝永磁變頻電動機后平均有功節電率為12.88%，無功節電率為58.47%，綜合節電率為14.89%，系統效率平均提高了4.53%，取得了較好的節能效果，永磁變頻電動機應用節能效果對比見表3。

表3 永磁變頻電動機應用節能效果對比

3 結論

通過對永磁變頻電動機現場實際應用效果來看，可以得出以下結論：

1）對于目前抽油機井負載率較低及不恒定的情況，應用永磁變頻電動機可以實現調頻改動電動機功率，很好地匹配電動機輸出功率，輕載情況下保持較高效率。

2）應用永磁變頻電動機后，抽油機井實現了降低抽油機有功及無功單耗，提高了系統效率，節能效果顯著。

3）有效提高電動機功率因數，降低電動機電流、定子銅耗及配套變壓器等容量，同時可降低其他輔助配套設施規格，相應系統成本更低。