油田抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行研究

于治華劉維東羅楊

（1.山東成華電子科技有限公司生產(chǎn)技術(shù)部；2.日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院；3.勝利油田勝利采油廠）

油田抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行研究

于治華1劉維東2羅楊3

（1.山東成華電子科技有限公司生產(chǎn)技術(shù)部；2.日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院；3.勝利油田勝利采油廠）

永磁同步電動(dòng)機(jī)在油田得到大規(guī)模應(yīng)用，應(yīng)用情況表明，永磁同步電動(dòng)機(jī)在額定電壓下運(yùn)行具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、效率高、功率因數(shù)高、節(jié)電效果好等優(yōu)點(diǎn)，但在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)大量抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行功率因數(shù)偏低，能耗比正常水平偏高等問題。分析了負(fù)載率、電壓變化對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的影響，功率因數(shù)變化對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)能耗的影響。提出一套自動(dòng)適應(yīng)油田電網(wǎng)供電電壓變化，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)用永磁電動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行的技術(shù)方案。

油田電網(wǎng) 永磁同步電動(dòng)機(jī) 電壓偏差 功率因數(shù) 高效運(yùn)行

中國石油、中國石化聯(lián)合組織技術(shù)專家歷時(shí)兩年，測(cè)試抽油機(jī)用各類電動(dòng)機(jī)2000余臺(tái)，分析總結(jié)永磁電動(dòng)機(jī)的性能及應(yīng)用，于2012年3月1日發(fā)布了Q/SH 0451—2012《抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)選型技術(shù)要求》。用于引導(dǎo)、規(guī)范油田規(guī)模應(yīng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)2007年以來的試驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)比測(cè)試分析了各種抽油機(jī)用節(jié)能電動(dòng)機(jī)，主要包括雙功率電動(dòng)機(jī)、直線電動(dòng)機(jī)、高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)、電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)、磁阻電動(dòng)機(jī)、抽油機(jī)專用永磁同步電動(dòng)機(jī)、齒輪減速電動(dòng)機(jī)等，永磁同步電動(dòng)機(jī)是近幾年不斷發(fā)展不斷完善的電動(dòng)機(jī)，任何抽油機(jī)上都可以應(yīng)用，節(jié)電效果最好。因此在抽油機(jī)上應(yīng)為首選電動(dòng)機(jī)[1]。

1 油田應(yīng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)效益分析

標(biāo)準(zhǔn)起草專家測(cè)試總結(jié)分析，抽油機(jī)專用永磁電動(dòng)機(jī)替代普通電動(dòng)機(jī)，在額定電壓下運(yùn)行，可使電動(dòng)機(jī)的容量減少，工作電流大幅度下降，自身損耗和線路損耗大幅度減少，經(jīng)濟(jì)效益顯著，主要包括以下4個(gè)方面：

1）永磁同步電動(dòng)機(jī)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、效率和功率因數(shù)高、無轉(zhuǎn)差及過負(fù)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可使配套三相異步電動(dòng)機(jī)功率降低1～2個(gè)功率段。每臺(tái)30 kW永磁高效同步電動(dòng)機(jī)替代55 kW異步電動(dòng)機(jī)，按年運(yùn)行8000 h計(jì)算，每年可節(jié)電12 000 kWh。

2）電流下降使得線路損耗下降。變壓器至電動(dòng)機(jī)的電纜長度約為100 m，截面積為25 mm2。電流的下降，使單井低壓電纜有功損耗減少0.5～0.7 kW；變壓器容量的減少，自身損耗減少0.3 kW左右；一條帶10口井的6000 V線路可減少高壓線路損耗約3.9 kW。

3）由于變壓器、電動(dòng)機(jī)容量的降低，可使供電線路電流下降、功率因數(shù)提高，可使供電系統(tǒng)在不改變?cè)瓉砉╇娫O(shè)備的基礎(chǔ)上，增加系統(tǒng)的供電能力。功率因數(shù)的提高可使電流、視在功率減小1/2以上，在不增加變電所的容量的情況下，相當(dāng)于變電所增容50%。

4）永磁同步電動(dòng)機(jī)可在容性負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行，低壓側(cè)不需要增加任何電容補(bǔ)償，就可使線路的功率因數(shù)達(dá)到0.9以上；由于變壓器呈感性負(fù)載，可以和電動(dòng)機(jī)進(jìn)行一部分的無功補(bǔ)償，因此高壓側(cè)的功率因數(shù)可達(dá)到0.95以上，減少電容補(bǔ)償費(fèi)用。

2 電壓波動(dòng)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能的影響

對(duì)不同額定電壓等級(jí)（380 V、660 V、1140 V）、不同額定功率 （22 kW、30 kW） 和不同轉(zhuǎn)速（750 r/min、1000 r/min）的12臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)在不同負(fù)載率對(duì)應(yīng)不同電壓下的有功功率、無功功率和功率因數(shù)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果說明，各參數(shù)間的規(guī)律關(guān)系都基本一致。

1）當(dāng)定子電壓高于永磁同步電動(dòng)機(jī)的臨界反電勢(shì)時(shí)，其感性無功功率呈感性功率因數(shù)運(yùn)行；當(dāng)定子電壓低于永磁同步電動(dòng)機(jī)的臨界反電勢(shì)時(shí)，永磁同步電動(dòng)機(jī)的容性無功功率呈容性功率因數(shù)運(yùn)行。

2）外加永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子電壓等于或近似等于其臨界反電勢(shì)時(shí)，電動(dòng)機(jī)無功功率最小，功率因數(shù)最高。

3）負(fù)載率較低時(shí)，功率因數(shù)隨外加定子電壓偏離臨界反電勢(shì)的增大而減小，定子電壓偏離臨界反電勢(shì)越多功率因數(shù)下降越多。

4）隨負(fù)載率的增大，電壓變化對(duì)功率因數(shù)的影響逐漸減弱，當(dāng)負(fù)載率大于40%時(shí)，電壓變化對(duì)功率因數(shù)的影響很小。

5）在定子電壓一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率越低功率因數(shù)越低。

6）電動(dòng)機(jī)空載臨界反電勢(shì)近似等于空載反電勢(shì)，隨著負(fù)載的增加臨界反電勢(shì)逐漸下降，在抽油機(jī)的工況狀態(tài)下下降約2.5%Ue。

3 永磁電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)與損耗的關(guān)系

在電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行條件下，其輸出功率是給定的，在給定電壓下鐵心損耗也是確定的；此外，機(jī)械損耗是不變量，功率因數(shù)低則電動(dòng)機(jī)的定子電流大，定子銅耗大。反之，功率因數(shù)高則定子電流小、定子銅耗小，永磁電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)高帶來節(jié)能效果，就是因?yàn)楣ぷ麟娏飨鄳?yīng)變小，使電動(dòng)機(jī)的定子銅耗以及供電線路的損耗都變小。

4技術(shù)措施與實(shí)測(cè)分析

4.1 目前油田應(yīng)對(duì)技術(shù)措施

1）選用最新研制的8檔9位變壓器，電壓調(diào)整范圍達(dá)±10%，步幅調(diào)整±2.5%。

2）通過抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員及時(shí)調(diào)整8檔9位變壓器輸出電壓，使抽油機(jī)供電電壓值低于空載反電勢(shì)的2.5%左右。

4.2 供電電壓的測(cè)試分析

供電電壓偏差不僅受輸電距離、負(fù)荷產(chǎn)生的壓降、各級(jí)變壓器的負(fù)載率影響，還受整個(gè)大電網(wǎng)發(fā)電、用電供需關(guān)系等因素影響，是瞬態(tài)變化的。

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》規(guī)定供電電壓偏差的限值：35 kV及以上正、負(fù)偏差的絕對(duì)值之和不超過標(biāo)稱電壓的10%； 20 kV及以下三相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的±7%；220 V單相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的+7%，-10%。

油田的供電線路的長度一般達(dá)到10 km甚至更長，在較長供電線路情況下，供電線路的首端和末端的電壓差別較大。大量實(shí)測(cè)表明，對(duì)于額定電壓為380 V抽油機(jī)的供電系統(tǒng)，首端電壓通常達(dá)到410～420 V，而末端卻只有350～360 V左右。油田大部分供電線路采用兩端雙電源供電，供電線路兩端的供電源互換也會(huì)引起較大的電壓變化。圖1為在大慶油田、勝利油田及遼河油田、華北油田所測(cè)試的較典型線電壓值。

圖1 油田抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)供電電壓測(cè)試

4.3 油田抽油機(jī)負(fù)載測(cè)試分析

抽油泵一般在地下1000 m左右的深度，有的則超過了2000 m。為了使電動(dòng)機(jī)在重負(fù)載的條件下能夠正常啟動(dòng)、正常運(yùn)行，抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)配置容量總是較大。啟動(dòng)后，有功功率大多數(shù)是從0上升到最大值后再下降至0，甚至從負(fù)有功功率（反發(fā)電）上升到最大值后再下降至負(fù)有功功率（反發(fā)電），如此周而復(fù)始呈周期性變化。電動(dòng)機(jī)功率55 kW，實(shí)測(cè)最大功率44 kW，平均功率也僅僅10 kW，負(fù)荷率在40%以下的時(shí)段占整個(gè)負(fù)載周期的90%，平均負(fù)荷率僅為18%。綜合分析在各油田隨機(jī)測(cè)試的220臺(tái)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，其平均負(fù)荷率普遍在15%～25%之間。可見，油田抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)是典型輕負(fù)載運(yùn)行。

4.4 永磁同步電動(dòng)機(jī)輕載時(shí)高效運(yùn)行供電電壓區(qū)間

對(duì)于常規(guī)結(jié)構(gòu)的稀土永磁電動(dòng)機(jī)，在不同電壓下的運(yùn)行特性差別很大，圖2是一臺(tái)22 kW 8極電動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)的不同電壓下的空載電流與功率因數(shù)。該電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電壓是370 V。可以看出，當(dāng)外加電壓等于感應(yīng)電壓時(shí)，空載電流僅僅大約2 A，負(fù)載20%時(shí)的功率因數(shù)達(dá)到0.97左右，而當(dāng)電壓大于或者小于感應(yīng)電壓時(shí)，空載電流都會(huì)急劇增大。如果電源電壓達(dá)到410 V，空載電流就達(dá)到16 A，負(fù)載20%時(shí)的功率因數(shù)降到0.4左右。這就說明，稀土永磁電動(dòng)機(jī)雖然在額定電壓的時(shí)候有很好的節(jié)能效果，但是在實(shí)際電壓偏離額定電壓的時(shí)候，節(jié)能效果大幅度變壞。

圖2 一臺(tái)22 kW電動(dòng)機(jī)不同電壓下實(shí)測(cè)的空載電流與功率因數(shù)

試驗(yàn)表明380 V永磁同步電動(dòng)機(jī)在輕載時(shí)，高效運(yùn)行的電壓區(qū)間差值僅為+5 V，-10 V，其高效運(yùn)行電壓偏差值為標(biāo)稱電壓的2.5%。可見油田電網(wǎng)國標(biāo)允許電壓偏差遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行的需求。

5 油田抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行控制原理和效果

通過對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)繞組的設(shè)計(jì)，使永磁電動(dòng)機(jī)提供多種永磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)以適應(yīng)電源電壓的變化，并在電源電壓自動(dòng)跟蹤監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電流無沖擊的自動(dòng)切換，以解決在國家標(biāo)準(zhǔn)允許的供電電壓發(fā)生偏差（±7%）情況下，通用結(jié)構(gòu)的稀土永磁電動(dòng)機(jī)節(jié)能效果差或者基本不節(jié)能的問題，見圖3。

永磁同步電動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行控制系統(tǒng)匯集定子伴隨繞組繞制、電壓自匹配控制、電流無沖擊有載切換、特殊結(jié)構(gòu)接線板等專利技術(shù)，能夠在標(biāo)稱電壓380 V/660 V的供電線路上，在電壓波動(dòng)±10%范圍內(nèi)，自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)分析、自動(dòng)控制，運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)能保持在0.95以上。

圖3 永磁同步電動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行控制效果

6 結(jié)論

1）采用永磁同步電動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行控制技術(shù)制成的永磁同步電動(dòng)機(jī)，可以電動(dòng)機(jī)本體與驅(qū)動(dòng)控制一體安裝，也可以分離安裝。整套產(chǎn)品自身具有電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行操作控制功能，并具有缺相、過流等完善的保護(hù)功能，還能防止抽油機(jī)斷電后在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)重復(fù)啟動(dòng)，從而有效避免過電流沖擊與電動(dòng)機(jī)的退磁，現(xiàn)場(chǎng)無需再配備電控裝置。

2）采用永磁同步電動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行控制技術(shù)制成的永磁同步電動(dòng)機(jī)，能夠自適應(yīng)油田抽油機(jī)供電電壓的變化，在額定電壓380 V/660 V的供電線路上，在電壓波動(dòng)±10%范圍內(nèi)，自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)分析、自動(dòng)控制，運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)能保持在0.95以上。永磁同步電動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行控制技術(shù)的應(yīng)用，可以節(jié)省油田抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)為調(diào)整永磁同步電動(dòng)機(jī)供電電壓置換8位9檔變壓器費(fèi)用，同時(shí)也節(jié)省油田抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)為永磁同步電動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行進(jìn)行供電電壓監(jiān)測(cè)和調(diào)整變壓器輸出電壓所耗費(fèi)的人力物力。采用永磁同步電動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行控制技術(shù)制成的永磁同步電動(dòng)機(jī)目前在勝利油田、大港油田試運(yùn)行7臺(tái)，運(yùn)行時(shí)間均已超過20個(gè)月，經(jīng)歷了嚴(yán)寒酷暑考驗(yàn)，目前產(chǎn)品穩(wěn)定性良好，獲得了顯著的節(jié)能效果。這是我國首創(chuàng)的永磁電動(dòng)機(jī)控制新技術(shù)。一旦得到大規(guī)模應(yīng)用，可以有力地促進(jìn)我國石油開采領(lǐng)域節(jié)能工程的跨越式發(fā)展。

[1]董明霞.抽油機(jī)專用永磁同步電動(dòng)機(jī)的研制及應(yīng)用[D].北京:中國石油大學(xué),2007.

10.3969/j.issn.2095-1493.2014.001.003

2013-09-28）

于治華，高級(jí)工程師，1994年畢業(yè)于青島建筑工程學(xué)院，從事電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制和永磁同步電動(dòng)機(jī)研究工作，E-mail：yuzhihua6789@163.com，地址：山東成華電子科技有限公司生產(chǎn)技術(shù)部，276800。