注聚泵永磁直驅(qū)節(jié)能技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究

孟令尊（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

喇嘛甸油田注入系統(tǒng)共有注聚泵1134 臺(tái)，主要采用電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)給曲軸箱，存在以下幾方面問(wèn)題：一是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)使用的是異步電動(dòng)機(jī)，無(wú)功功率損耗較高；二是電動(dòng)機(jī)經(jīng)皮帶傳動(dòng)給曲軸箱，必然因摩擦損失一部分能量；三是運(yùn)行時(shí)震動(dòng)較大，泵出口管線震裂、儀表計(jì)量誤差變大或損壞等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。注聚泵永磁直驅(qū)節(jié)能技術(shù)使用的是永磁電動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速低，不存在無(wú)功損耗，傳動(dòng)方式采用的是永磁電動(dòng)機(jī)經(jīng)疊片式撓性聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)曲軸箱，沒(méi)有皮帶傳動(dòng)間的能量損失，運(yùn)行時(shí)震動(dòng)小，降低了泵出口管線開裂和儀表故障的發(fā)生率。因此注入系統(tǒng)注聚泵應(yīng)用永磁直驅(qū)節(jié)能技術(shù)可大幅降低喇嘛甸油田注聚開發(fā)的運(yùn)行能耗和費(fèi)用。

1 注聚泵永磁直驅(qū)節(jié)能裝置工作原理和特性

注聚泵永磁直驅(qū)節(jié)能裝置是由專用驅(qū)動(dòng)器、低轉(zhuǎn)速大力矩永磁電動(dòng)機(jī)和疊片撓性聯(lián)軸器構(gòu)成。

1.1 專用驅(qū)動(dòng)器特性

注入泵所使用的永磁電動(dòng)機(jī)需由專用驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，如果用普通變頻器驅(qū)動(dòng)永磁電動(dòng)機(jī)效果并不好，這是由于永磁同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)具有完全不同的工作原理決定的。永磁同步電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部等效氣隙要比異步電動(dòng)機(jī)大得多，因此永磁同步電動(dòng)機(jī)有比普通異步電動(dòng)機(jī)小得多的主電感和電氣時(shí)間常數(shù)。普通變頻器最初被設(shè)計(jì)是用來(lái)驅(qū)動(dòng)大電感量異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的，如被用于驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)，其輸出電流紋波將比驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)時(shí)的電流紋波大得多。所以使用普通變頻器控制永磁電動(dòng)機(jī)時(shí)電流很大，即起不到節(jié)能的效果，還容易發(fā)生故障，并且使用壽命大大縮短。對(duì)注入系統(tǒng)注聚泵來(lái)說(shuō)，專用驅(qū)動(dòng)器必須在以下三方面作特殊處理才能保證效果。

1.1.1 V/F控制處理

V/F 控制就是電壓/頻率要保持一定比值，即驅(qū)動(dòng)頻率調(diào)整時(shí)電壓必須隨之變化，否則電動(dòng)機(jī)不能承受。普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)因?yàn)殡姼写?，電壓變化?duì)電流影響小，而永磁電動(dòng)機(jī)因?yàn)殡姼行?，所以?duì)電壓特別敏感，如果V/F 曲線設(shè)計(jì)不好，即使相位差一點(diǎn)，都會(huì)嚴(yán)重影響其效率。不同頻率段的V/F 比值還不一樣，不同的電動(dòng)機(jī)也不一樣，這就要求專用驅(qū)動(dòng)器具有靈活的設(shè)定能力，并且整體裝置在出廠前要根據(jù)永磁電動(dòng)機(jī)不同性能調(diào)整好。

1.1.2 電壓追蹤處理

對(duì)油田電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，電壓波動(dòng)比較大，V/F 控制時(shí)不能以輸入的電網(wǎng)電壓為準(zhǔn)，否則會(huì)偏離控制曲線，需要在驅(qū)動(dòng)器中特別設(shè)計(jì)一個(gè)電路能跟蹤檢測(cè)并及時(shí)調(diào)整電壓，才能保證V/F 控制的真正實(shí)現(xiàn)。

1.1.3 直驅(qū)特殊要求

驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)永磁電動(dòng)機(jī)時(shí)，首先要尋找轉(zhuǎn)子磁極，然后調(diào)整好磁場(chǎng)方向，這樣才能帶動(dòng)轉(zhuǎn)子，如果磁場(chǎng)N極沒(méi)有找準(zhǔn)轉(zhuǎn)子S 極，就無(wú)法啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。尋找轉(zhuǎn)子磁極可以用位置傳感器的辦法，但弊病和隱患很多，現(xiàn)在都采取軟辦法，即通過(guò)磁場(chǎng)分布算出磁極位置。注聚泵使用的直驅(qū)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)為30極，額定轉(zhuǎn)速200r/min，使用磁鋼多，密度大，尋找磁極難度也大，分辨率要求高，驅(qū)動(dòng)器相關(guān)元件必須采用更高級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 永磁電動(dòng)機(jī)工作原理及特性[1]

永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子部分是用釹鐵硼永磁體制作而成，剩磁矯頑力非常強(qiáng)，功率可以做得很大。其工作原理是：電動(dòng)機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利用從靜止坐標(biāo)軸系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系之間的變換，則可以把定子電流中的勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量分解成兩個(gè)垂直的直流變量并分別進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。

由于永磁電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)不同，所以其工作特性截然不同。對(duì)于永磁電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子上嵌有磁鋼，本身就有磁場(chǎng)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)N極吸引轉(zhuǎn)子S 極，S 極吸引轉(zhuǎn)子N極，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，二者速度相同。注聚泵永磁直驅(qū)節(jié)能裝置使用的永磁電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)磁極為30極，轉(zhuǎn)速200r/min。而目前注聚泵所使用的三相異步電動(dòng)機(jī)磁極為8極，轉(zhuǎn)速730 r/min，利用扭矩公式可計(jì)算出在同等功率條件下永磁電動(dòng)機(jī)扭矩是三相異步電動(dòng)機(jī)扭矩的4 倍。因此可以不用皮帶傳動(dòng)等放大力矩環(huán)節(jié)而直接拖動(dòng)泵類負(fù)載。

為延長(zhǎng)永磁電動(dòng)機(jī)使用壽命，注聚泵永磁直驅(qū)節(jié)能裝置所使用的永磁電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)上定子繞組使用的是F 級(jí)絕緣材料，耐溫等級(jí)155℃，轉(zhuǎn)子磁鋼使用的是用釹鐵硼永磁體制作而成，耐溫等級(jí)為180℃，為延長(zhǎng)轉(zhuǎn)子磁鋼因溫度過(guò)高而導(dǎo)致退磁情況的發(fā)生，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)置有繞組熱敏電阻，當(dāng)溫度超過(guò)120℃時(shí)驅(qū)動(dòng)器會(huì)保護(hù)停機(jī)。通過(guò)使用高性能材料和采取有效的保護(hù)措施，延長(zhǎng)了永磁電動(dòng)機(jī)的退磁時(shí)間，充磁周期在10~12年。

1.3 疊片撓性聯(lián)軸器特性

疊片式撓性聯(lián)軸器其主動(dòng)端安裝盤和從動(dòng)端安裝盤分別與主動(dòng)、從動(dòng)軸聯(lián)接，安裝盤與間隔軸通過(guò)螺栓、疊片組件、襯套及自鎖螺母緊固，其特征是疊片組件中膜片的兩側(cè)分別裝有定心環(huán)，定心環(huán)與膜片合為一體，依靠膜片的彈性變形原理來(lái)補(bǔ)償所聯(lián)兩軸的相對(duì)位移，結(jié)構(gòu)較緊湊，強(qiáng)度高，使用壽命長(zhǎng)，無(wú)旋轉(zhuǎn)間隙，不受溫度和油污影響。永磁直驅(qū)節(jié)能裝置采用兩組疊片（即雙法蘭），可以同時(shí)曲向不同的方向，提高兩軸線偏移補(bǔ)償約1.5度，能保證良好的對(duì)中和動(dòng)平衡精度，承受偏差時(shí)作用在軸和軸承上的應(yīng)力更小，同時(shí)傳遞的扭矩更多。

2 注聚泵永磁直驅(qū)技術(shù)應(yīng)用研究

在聚喇2-3#注入站的3#、4#、5#、9#4 臺(tái)比例調(diào)節(jié)注聚泵安裝永磁直驅(qū)節(jié)能裝置，因?yàn)橛来胖彬?qū)節(jié)能裝置是異步電動(dòng)機(jī)扭矩的4倍，又因注聚泵的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率在55%以內(nèi)，考慮到永磁直驅(qū)節(jié)能裝置的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，4 臺(tái)比例調(diào)節(jié)注聚泵均使用降級(jí)安裝。其中用15 kW 永磁直驅(qū)節(jié)能裝置替代18.5 kW 異步電動(dòng)機(jī)3套，23kW 永磁直驅(qū)節(jié)能裝置替代30kW 異步電動(dòng)機(jī)1套，見圖1。

圖1 安裝前后示意圖

2.1 節(jié)能效果分析

為驗(yàn)證注聚泵永磁直驅(qū)技術(shù)的節(jié)能效果，分別記錄四臺(tái)比例調(diào)節(jié)注聚泵工頻運(yùn)行狀態(tài)、變頻運(yùn)行狀態(tài)和永磁直驅(qū)運(yùn)行狀態(tài)的注入壓力、日注入母液量和日耗電量數(shù)據(jù)對(duì)比節(jié)能效果，見圖2。

圖2 各運(yùn)行狀態(tài)下耗電曲線

3#比例調(diào)節(jié)注聚泵耗電量由原每天178kW h降到每天105 kW h；4#比例調(diào)節(jié)注聚泵耗電量由原每天225 kW h降到每天114 kW h；5#比例調(diào)節(jié)注聚泵耗電量由原每天167kW h降到每天104 kW h；9#比例調(diào)節(jié)注聚泵耗電量由原每天372 kW h降到每天225 kW h。從節(jié)能效果上分析，各安裝注聚泵永磁直驅(qū)節(jié)能裝置與工頻運(yùn)行狀態(tài)下相比，節(jié)電率達(dá)到40%左右。與變頻節(jié)能技術(shù)相比，平均高出變頻器節(jié)能效率的35%左右。三種運(yùn)行狀態(tài)下耗電情況見表1。

2.2 各傳動(dòng)技術(shù)運(yùn)行效果分析

注聚泵永磁直驅(qū)節(jié)能技術(shù)與直驅(qū)齒輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)相比無(wú)需采用齒輪變速機(jī)構(gòu)，因此震動(dòng)更小，與皮帶傳動(dòng)技術(shù)相比震動(dòng)也有所下降，為測(cè)量注聚泵永磁直驅(qū)節(jié)能技術(shù)與直驅(qū)齒輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)和皮帶傳動(dòng)技術(shù)的震動(dòng)幅度，分別在采用三種傳動(dòng)技術(shù)的電動(dòng)機(jī)、泵頭、管線選取相同部位的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，見表2。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，采用永磁直驅(qū)節(jié)能技術(shù)的電動(dòng)機(jī)、泵頭、管線的震動(dòng)幅度均比直驅(qū)齒輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)和皮帶傳動(dòng)技術(shù)低，尤其是采用永磁直驅(qū)節(jié)能技術(shù)的管線震動(dòng)幅度遠(yuǎn)低于直驅(qū)齒輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)管線的震動(dòng)幅度。由于直驅(qū)齒輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)管線的震動(dòng)幅度過(guò)大，所以經(jīng)常造成管線焊口開裂而發(fā)生高壓刺漏事故，存在較大安全隱患。

表1 三種運(yùn)行狀態(tài)下平均日耗電情況統(tǒng)計(jì)

表2 各傳動(dòng)技術(shù)震動(dòng)幅度對(duì)比

另外永磁直驅(qū)節(jié)能電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為200r/min，與齒輪變速機(jī)構(gòu)技術(shù)所使用的730r/min異步電動(dòng)機(jī)相比轉(zhuǎn)速更低，結(jié)構(gòu)更加緊湊，設(shè)備對(duì)安裝、調(diào)試、維護(hù)的要求降低，克服了直驅(qū)齒輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝要求高、調(diào)試?yán)щy和維修維護(hù)復(fù)雜等缺點(diǎn)。

2.3 適合注入系統(tǒng)要求分析

注聚泵永磁直驅(qū)節(jié)能技術(shù)能夠滿足注聚生產(chǎn)需要。永磁直驅(qū)節(jié)能裝置所使用的永磁電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)熱量低，在環(huán)境條件允許的情況下電動(dòng)機(jī)不需要風(fēng)扇散熱，消除了風(fēng)阻，為進(jìn)一步降低能耗提供了空間；系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)噪聲小，全速運(yùn)行時(shí)僅為45 dB左右。三種傳動(dòng)技術(shù)運(yùn)行噪聲對(duì)比見表3。

表3 單臺(tái)注聚泵運(yùn)行噪聲對(duì)比

注聚泵永磁電動(dòng)機(jī)輸出力矩是普通電動(dòng)機(jī)輸出力矩4 倍以上，轉(zhuǎn)速降至1/4 左右時(shí)，效率、功率因數(shù)仍較高，運(yùn)行依然平穩(wěn)。速度可以在1~50H z的全部轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)調(diào)整，速度控制準(zhǔn)確，單井注入系統(tǒng)工藝參數(shù)不存在波動(dòng)，系統(tǒng)可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行而溫升較小，通過(guò)調(diào)整專用控制器的運(yùn)行頻率隨時(shí)滿足注入要求。以4#泵進(jìn)行測(cè)試，室內(nèi)環(huán)境溫度29.4 ℃，所轄三口單井排量為0.79m3/h、0.34 m3/h、0.64 m3/h，注入壓力為12.5M Pa、13.4 M Pa、9.9M Pa，運(yùn)行頻率43.3H z。4#注聚泵分別測(cè)試了15H z、20H z、25 H z三種頻率運(yùn)行下注聚泵注入?yún)?shù)，（表4）。

表4 4#比例調(diào)節(jié)注聚泵不同頻率永磁直驅(qū)節(jié)能裝置運(yùn)行狀態(tài)

3 結(jié)論

通過(guò)采用注聚泵永磁直驅(qū)節(jié)能技術(shù)，達(dá)到了以下幾方面的要求：一是節(jié)電比較明顯，與普通電動(dòng)機(jī)相比平均節(jié)電率達(dá)到40%以上；二是無(wú)級(jí)調(diào)速范圍寬，速度可以在1~50 H z的全部轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)調(diào)整，系統(tǒng)可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)溫升情況正常，電動(dòng)機(jī)無(wú)嚴(yán)重發(fā)熱現(xiàn)象；三是震動(dòng)小、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)噪聲??；四是系統(tǒng)運(yùn)行電流穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成影響，諧波抑制比較理想。

[1]王秀和.永磁電動(dòng)機(jī)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2007:17-337.