永磁電機(jī)在渤海油田潛油電泵上的應(yīng)用與探討

郭曉軍，紀(jì)敏，文振新

（1.中海油天津分公司蓬勃作業(yè)公司；2.天津渤新機(jī)械工程有限公司，天津 300457）

近年來，在實(shí)現(xiàn)用能企業(yè)雙碳目標(biāo)、建設(shè)綠色油田的背景下，集團(tuán)公司推出了一系列節(jié)能降碳降耗措施，包括推動(dòng)岸電入海、加快淘汰低能效電機(jī)、安裝LED 智能照明等。經(jīng)過幾年的努力，公司節(jié)能降耗的工作取得了一定的進(jìn)展和成效，但是隨著工作的持續(xù)深入開展，節(jié)能降耗也遇到了瓶頸，很難再實(shí)現(xiàn)跨越一個(gè)數(shù)量級(jí)的突破。永磁電機(jī)作為一款設(shè)計(jì)理念完全不同于傳統(tǒng)異步電機(jī)的產(chǎn)品，以其簡潔的設(shè)計(jì)、高效的驅(qū)動(dòng)性能、卓越的節(jié)能效果在各行各業(yè)得到了大量推廣應(yīng)用，取得了非常好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。下面針對(duì)渤海油田某礦區(qū)永磁電機(jī)的應(yīng)用以及帶來的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。

1 工作原理

類似于異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)原理，在給永磁電機(jī)通入三相交流電壓后，對(duì)應(yīng)的三相交流電流在定子繞組上產(chǎn)生出一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場。一般永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組采用兩對(duì)極的永磁體，分別可以用N1 和S1、N2 和S2 表示，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在不斷相互作用的過程中，定子繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，初期帶入轉(zhuǎn)速較快，隨后轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度必然與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速趨于一致，達(dá)到同步轉(zhuǎn)速。這種磁場狀態(tài)的變化最終轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，同時(shí)輸出對(duì)應(yīng)的扭矩，不斷提升電機(jī)功率，驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)行。

2 永磁電機(jī)運(yùn)行特性

通過對(duì)傳統(tǒng)的三相異步電機(jī)以及永磁電機(jī)效率曲線比較，可以發(fā)現(xiàn)，三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組屬于采用銅線依次纏繞而成，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，必將隨之引發(fā)磁場并產(chǎn)生熱量，消耗相應(yīng)的能量；相較于與異步電機(jī)，永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極采用永磁體材料制成，不存在常規(guī)電機(jī)運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子發(fā)熱、消耗能量的現(xiàn)象。從電機(jī)的負(fù)載變化看，相比異步電動(dòng)機(jī)通常只能在60%～100%額定功率內(nèi)保持較高效率運(yùn)行，稀土永磁同步電機(jī)可以在25%～120%額定功率的范圍內(nèi)保持高功率因數(shù)和高效率狀態(tài)運(yùn)行，表現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。

此外，在電機(jī)輸出功率以及額定功率完全相同的情況下，永磁電機(jī)的運(yùn)行效率顯然比三相異步電動(dòng)機(jī)更高，啟動(dòng)電流更低以及對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊更小。

3 應(yīng)用實(shí)踐

渤海油田某平臺(tái)在2022 年底檢泵作業(yè)后，替換了常規(guī)的三相異步電動(dòng)機(jī)，根據(jù)油井產(chǎn)液情況重新投入了一款參數(shù)為220HP、2145V、61A@100Hz 的永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的潛油電泵，并同步優(yōu)選了可以適配此類型永磁電機(jī)的變頻器（型號(hào)為華云DPC1000-N-GL），以保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行。

通過引用標(biāo)準(zhǔn)《DB37/789-2016 原油生產(chǎn)（百米噸液）用電限額》中的定義，以原油生產(chǎn)產(chǎn)液百米噸液綜合用電單耗作為計(jì)算比對(duì)根據(jù)。原油生產(chǎn)產(chǎn)液百米噸液綜合用電單耗是指原油在開采過程中把一噸液量從地下提升100 米每天所消耗的電能，單位：千瓦時(shí)/噸液·百米（kWh/100m·t）。

計(jì)算公式如下：X=W×100/(Q×H)。

結(jié)合油井實(shí)際情況，進(jìn)行以下修正：H 為泵有效揚(yáng)程，單位為m；Q 為單井日產(chǎn)液量，單位為t/d；X 為百米方液耗電量，單位為kWh/(100m·t)。

投運(yùn)后，通過收集永磁電機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間的數(shù)據(jù)，記錄如表1。

表1

綜上，基于近一個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，該潛油泵永磁電機(jī)較原異步電機(jī)平均百米方液耗電節(jié)能24.89%，達(dá)到預(yù)期效果。

4 優(yōu)化提升措施

近期投用的3 口電潛泵永磁電機(jī)采用永磁專用變頻器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，但是平臺(tái)現(xiàn)用的大量施耐德變頻器最初設(shè)計(jì)為用于傳統(tǒng)三相異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。因此，結(jié)合年度設(shè)備維修費(fèi)用預(yù)算情況，基于節(jié)能降碳降耗的長遠(yuǎn)考慮，如果要實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的大規(guī)模推廣使用，并保證永磁同步電機(jī)的可靠驅(qū)動(dòng)及穩(wěn)定運(yùn)行，就需要對(duì)現(xiàn)有各種型號(hào)、各種品牌的變頻器進(jìn)行大規(guī)模提升改造。具體措施和建議如下。

（1）渤海油田此礦區(qū)油井深度一般在1500m 左右，為了防止變頻器停機(jī)后油井殘余液體回流造成電機(jī)定子繞組產(chǎn)生可能危及人身安全的高電壓，因此，變頻器輸出端需要增加隔離裝置，保證在地面設(shè)備供電端到井下電機(jī)負(fù)載端之間存在明顯的斷點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)供電回路上的物理隔離，確保檢維修期間的電氣作業(yè)安全。

（2）原三相異步電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)為一對(duì)極，工頻下的額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。新投用的永磁電機(jī)極對(duì)數(shù)為兩對(duì)極，如果仍要滿足原來的額定轉(zhuǎn)速要求，就需要變頻器的額定輸出頻率可以達(dá)到100Hz 或者120Hz。原設(shè)計(jì)的施耐德變頻器在“V/f”控制模式下的輸出頻率范圍為0 ～70Hz，因此，需要對(duì)此類型變頻器的核心功率器件及控制卡件進(jìn)行升級(jí)改造，以滿足永磁電機(jī)需求的頻率范圍。

（3）建議積極與業(yè)內(nèi)永磁電機(jī)制造商廠家溝通，可以根據(jù)油田實(shí)際需求設(shè)計(jì)出一款適用于井下高溫高壓工況的一對(duì)極永磁電機(jī)，這樣就可以滿足原來的3000r/min 轉(zhuǎn)速需求，而降低對(duì)老舊變頻器進(jìn)行大規(guī)模改造的工作量。這樣，在經(jīng)濟(jì)投入很小的情況下，就可以取得比較可觀的節(jié)能效果，短期效益良好。

5 結(jié)語

渤海油田油井開采大都采用電潛泵人工舉升的方式，因此，電潛泵使用了大量的三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。以渤海油田某個(gè)礦區(qū)為例，大概有400 余口油井。相較工頻電壓直接啟動(dòng)，目前較為流行的是使用變頻器啟動(dòng)，可以保證電機(jī)運(yùn)行在30 ～70Hz 的頻率范圍內(nèi)，在啟動(dòng)電流較小的情況下，也可以有足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，保持良好的工作特性。但是，在節(jié)能降碳降耗的大環(huán)境下，如何提高電機(jī)運(yùn)行效率、降低電機(jī)自身的固有損耗，成為擺在廣大油田設(shè)備管理從業(yè)者面前的現(xiàn)實(shí)問題。

通過永磁電機(jī)在油田礦區(qū)的試驗(yàn)應(yīng)用，從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)看短期的確取得了初步節(jié)能效果，在渤海油田具備條件的礦區(qū)可以先行先試，特別是已經(jīng)接入岸電需要外購電量的設(shè)施平臺(tái)。同時(shí)需要說明的是，由于永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子使用的永磁體材料對(duì)溫度較敏感，隨著溫度的升高，永磁體的磁強(qiáng)度出現(xiàn)降低的趨勢，直到達(dá)到極端溫度后遭受不可逆的性能損失，此時(shí)，永磁電機(jī)就需要完全更換。因此，綜合以上分析，由于永磁電機(jī)費(fèi)用較高更換永磁電機(jī)帶來的中長期經(jīng)濟(jì)效益仍然需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及結(jié)合永磁電機(jī)的使用壽命進(jìn)行充分評(píng)估。