高效異步電動機在海上油田節能改造中的應用

陳文奎 （中海油節能環保服務有限公司）

電動機是拖動風機、水泵、壓縮機、機床、傳輸帶等各種設備的驅動裝置，是用電量最大的耗電終端設備，廣泛應用于石油化工、冶金、農業、交通、市政等行業和領域[1-2]。目前，很多海上油田的電動機已使用多年，存在能耗高、效率低、老化嚴重等問題，耗電量大幅增加，電能浪費嚴重，導致海上油田生產成本居高不下，嚴重制約了海上油田經濟的可持續發展。工信部和市場監管總局印發《電動機能效提升計劃（2021—2023 年）》，我國于2021 年6 月開始實施新的電動機能效標準GB18613—2020《電動機能效限定值及能效等級》。

選取高效異步電動機作為研究對象，對其結構和節能原理進行了簡述，詳細分析了電動機改造后節能量的計算方法，著重介紹了在海上油田節能改造中的應用案例和節能效益。

1 高效異步電動機的簡介

1.1 結構原理

高效異步電動機在結構上和普通異步電動機一樣，主要由定子和轉子兩部分組成，定子和轉子中間是空氣隙，此外，還有端蓋、軸承、機座等部件。定子是異步電動機固定不動的部分，由機座、定子鐵芯和定子繞組構成，轉子由轉軸、轉子鐵芯和轉子繞組構成。高效異步電動機同樣具有結構簡單、制造容易、價格便宜、運行可靠、堅固耐用、維護方便等一系列優點。

高效異步電動機的運行原理是根據電磁感應原理而工作的。當定子繞組通過三相對稱交流電后，在定子與轉子間產生旋轉磁場，轉子繞組切割該磁場在轉子回路中產生感應電動勢和電流，轉子繞組的電流在旋轉磁場的作用下，受到力的作用而使轉子旋轉[3]。

1.2 節能原理

高效異步電動機在將電能轉換為機械能的同時，自身也損耗一部分能量，這些損耗會以熱能的形式散發出去。其損耗一般可分為固定損耗、可變損耗和雜散損耗三部分[4]。

可變損耗是隨負荷變化的，包括定子電阻損耗（銅損）、轉子電阻損耗和電刷電阻損耗。固定損耗與負荷無關，包括鐵芯損耗（鐵損）和機械損耗，鐵損由磁滯損耗和渦流損耗所組成，與電壓的平方成正比，而磁滯損耗還與頻率成反比。雜散損耗是機械損耗和其他損耗，包括風扇、轉子等由于旋轉引起的風阻損耗和軸承的摩擦損耗。

電動機的效率計算公式為：

式中：η為電動機的效率；Po為電動機的輸出功率，kW；Pi為電動機的輸入功率，kW。

輸入功率等于輸出功率和電動機自身損耗之和，即：

式中：P為電動機自身損耗，由固定損耗、可變損耗和雜散損耗之和，kW。

由式（1）～（2）可知，在電動機輸出功率一定的條件下，電動機自身損耗越小，電動機越節能，其效率越高。

高效異步電動機采用了新理論、新結構、新材料、新工藝等先進措施[5-8]，最大限度地降低自身的鐵損、銅損、機械損耗、雜散損耗等損耗，獲得更大的機械能輸出，大大提高了轉換效率，從而達到節能的目的。高效異步電動機一般采取如下措施：

1）定子和轉子鐵芯采用低損耗冷軋電工硅鋼板來降低鐵損，實現較大幅度而且穩定地降低電動機的鐵損。

2）定子和轉子繞組采用低諧波繞組，改善電動機的磁勢波形，從而降低定轉子繞組的銅損。

3） 采用先進合理的通風結構降低機械損耗，高效異步電動機采用了錐形風罩和帶錐形擋風板的風扇結構，具有優良的通風效果，可以在風耗和摩擦損耗很小的情況下產生足夠的風量，達到很好的散熱冷卻效果，并且可以有效降低機械噪聲。

4）采用有效的工藝措施降低電動機雜耗，在采用適當的定、轉子槽配合和轉子槽斜度的同時，適當調整定、轉子氣隙值并對加工后的轉子進行多項處理，從而降低和控制雜散損耗。

2 節能量計算

采用高效異步電動機替換原低效電動機的方案進行節能改造，電動機輸出功率基本保持不變。在進行節能量計算時，通常做法是在不考慮無功功率的情況下只計算有功功率的節電量[9-10]。而按照GB/T 12497—2006《三相異步電動機經濟運行》，電動機的節約量包含有功功率節約量和無功功率節約量，若只考慮有功功率，計算結果會存在不小的偏差。為了更加精準的計算節能量，需對有功功率和無功功率的節能量分別進行計算。

1）有功功率的節約量。電動機改造后，有功功率的節約量為：

式中： ΔPp為有功功率的節約量，kW；Pi1為改造前輸入的有功功率，kW；Pi2為改造后輸入的有功功率，kW。

2）無功功率的節約量為：

式中： ΔQo為無功功率的節約量，kVar；Qi1為改造前輸入的無功功率，kVar；Qi2為改造后輸入的無功功率，kVar。

無功功率的節約量需換算成有功功率的節約量，按式（5）進行計算：

式中： ΔPo為無功功率的節約量換算成有功功率的節約量，kW；Ko為無功經濟當量系數，按照GB/T 12497—2006 中的規定：當電動機直連發電動機母線Ko為0.02～0.04，二次變壓取Ko為0.05～0.07，三次變壓取Ko為0.08～0.10。

由式（3）（4）（5）可得綜合功率：

3）綜合節電量的計算

式中： ΔW為綜合節電量，kWh；T為電動機運行時間，h。

4）綜合節電率的計算

式中： ΔE為綜合節電率，%。

3 電動機改造的典型應用

某海上油田的生產水泵電動機于2010 年生產，已使用多年，電動機內部老化嚴重，工作效率降低，功率因數降低，電能浪費嚴重，為響應國家節能降耗的相關政策，現對其進行節能改造，將其更換成同功率的高效異步電動機。改造前原電動機型號YB2-280S-4H，其額定功率為75 kW，額定電壓為380 V，功率因數為0.87，效率為93.6%，運行工況相對穩定，負載率為80%。按照GB18613—2020《電動機能效限定值及能效等級》規定，額定功率75 kW 的三相異步電動機各能效等級如表1所示。

由表1 可知，75 kW-4（額定功率75 kW、極數4 極） 三級能效的三相異步電動機的效率不低于95%，而原電動機的效率為93.6%，已低于現行國家能效標準，屬于國家名列的淘汰產品。由于新的電動機能效標準實施時間不長，市場上能達到一級能效標準的三相異步電動機很少，因此選擇二級能效或三級能效異步電動機對原電動機進行節能改造。為了確定最佳改造方案，需對二級能效和三級能效異步電動機的節能效益進行測算分析。

3.1 電動機節能效益理論分析

為了便于分析，75kW-4 三相異步電動機的三級能效的效率取95%，二級能效的效率取96%。如果不考慮無功功率的節電量，只考慮有功功率節電量的情況下，額定功率下二級能效和三級能效異步電動機的自身損耗可根據式（1） 和式（2） 計算得出。

二級能效異步電動機的自身損耗為3.13 kW；三級能效異步電動機的自身損耗為3.95 kW。75 kW-4 三相異步電動機二級能效的損耗比三級能效要低0.82 kW。如果按每年運行8 000 h 計算，那么75 kW-4 三相異步電動機二級能效比三級能效每年節省電量6 560 kWh。如果電費按0.9 元/kWh進行計算，則每年節約電費5 904 元。

一臺三級能效75 kW-4 三相異步電動機的價格約為2.9 萬元，一臺二級能效75 kW-4 三相異步電動機的價格約為3.5 萬元，成本投入差值是0.6 萬元。按每年運行8 000 h 計算，二級能效75 kW-4 三相異步電動機運行一年多就可收回所增加的成本。該海上油田生產水泵電動機的最佳改造方案是選用二級能效75 kW-4 三相異步電動機進行節能改造。

3.2 節能效益分析

改造后電動機型號為YBX4-280S-4H，屬于二級能效電動機，其額定功率為75 kW，功率因數為0.88，效率為96.2%。

不考慮無功功率時，電動機改造后的節電量計算如表2 所示，改造后的節電率為2.70%，每小時節電量為1.73 kWh，一年按運行8 000 h 進行計算，則年節電量約為1.384×104kWh。

考慮無功功率時，電動機改造后節電量計算如表3 所示，有功功率的節約量為1.73 kW，無功功率節約量為2.66 W（三次變壓，無功經濟當量系數取0.08～0.10，取均值0.09 計算，換算成有功功率的節約量為0.24 kW）。改造后綜合節電率為2.93%，每小時節電量為1.97 kWh，一年按運行8 000 h 進行計算，年節電量為1.576×104kWh。

通過表1、表2 數據對比可以看出，相比于不考慮無功功率進行節電量計算，考慮無功功率時單位節電量增加了0.24 kWh， 計算結果偏差約13.87%；同理，節電率增加了0.23%，計算結果偏差約8.52%。

該海上油田購置YBX4-280S-4H 型電動機的價格約為3.5 萬元，電價為0.9 元/kWh，則不考慮無功功率時年節約電費約1.25 萬元，改造投資回收期為2.8 a；則考慮無功功率時年節約電費約1.42 萬元，改造投資回收期為2.46 a。

4 總結

隨著我國新的電動機能效標準的實施，海上油田很多低效電動機急需進行升級改造。高效異步電動機具有效率高、結構簡單、性能可靠、堅固耐用等優點，是海上油田電動機節能改造的不錯選擇。

在電動機節能改造項目中，三相異步電動機二級能效比三級能效具有更高的節能效益和投資價值。無功功率對節電量、節電率、電費和投資回收期的計算都有很大的影響，為了更加精準的計算節能量，需對有功功率和無功功率的節能量分別進行計算。文中采用高效異步電動機對海上油田生產水泵電動機進行節能改造，取得了不錯的節能效果。經測算，改造后綜合節電率為2.93%，每小時節電量為1.97 kWh，一年按運行8 000 h 進行計算，年節電量為1.576×104kWh，相當于年節約6.3 tce，同時減少15.71 t 的CO2、0.47 t 的SO2、0.24 t 的NOx和4.29 t 碳粉塵的排放。