永磁調速技術在杏北油田應用效果分析

張濤（大慶油田工程有限公司）

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永磁調速技術在杏北油田應用效果分析

張濤（大慶油田工程有限公司）

摘要：隨著油田開發的不斷深入，部分污水泵、摻水泵能力與需求匹配不合理，能耗增加。通過永磁調速技術改造，根據適時的負載輸入轉矩的要求，調節永磁調速驅動器輸入端的轉矩大小，從而最終改變電動機輸出功率大小，實現對輸出流量或壓力的連續控制，解決泵匹配不合理的問題。杏北油田已在污水站及轉油站應用了該項節能技術，節電率最高達71.1%。永磁調速范圍比較大，能夠起到較好的節能效果。

關鍵詞：污水站；永磁調速；單耗；壓力；節電率

杏北油田共建轉油站50座，普通污水處理站12座，轉油站污水加熱后供單井摻水及熱洗，污水站濾后水均外輸至所轄的深度污水站或注水站進行處理回注。但實際生產中由于轉油站摻水量隨季節及現場需求變化較大，造成摻水量波動較大，系統壓力不平穩，間接導致泵匹配不合理。部分污水站的負荷較低，外輸泵匹配單一，使這些站機泵單耗較高。目前普遍采用變頻技術降低能耗，但該裝置占地空間大，噪聲較大，影響日常管理及工人身心健康；因此，杏北油田自2010年起引進永磁調速技術來解決上述問題。

1　永磁調速技術原理

目前，應用的永磁調速技術主要有2種調速方式，這2種永磁調速驅動器都由3個部分組成：與電動機連接的導磁體；與離心泵軸連接的永磁體；1個控制調節器，控制器包括手動控制和信號控制2種方式。

第一種永磁調速器工作原理是電動機1端永磁體和負載端感應磁場相互作用產生轉矩，通過調節永磁調速驅動器氣隙來控制傳遞的轉矩，從而實現負載速度調節，達到調速節能的目的。該技術實現了在驅動（電動機）和被驅動（負載）側沒有機械鏈接，見圖1、圖2、圖3。

第二種永磁調速器采用筒形導體轉子、筒形永磁轉子，筒形永磁轉子在筒形導體轉子內，其間由空氣隙分開，并隨各自安裝的旋轉軸獨立轉動。調節器調節筒形永磁轉子與筒形導體轉子在軸線方向的相對位置，以改變筒形導體轉子與筒形永磁轉子之間的嚙合面積，實現改變筒形導體轉子與筒形永磁轉子間傳遞轉矩的大小。輸出轉矩的大小與嚙合面積相關，嚙合面積越大，轉矩越大，反之亦然，見圖4、圖5、圖6。

圖1　氣隙調速機構原理

圖2　氣隙調速原理

永磁調速技術不受功率質量的影響，在功率質量很差或者在低壓期間都可以工作。只要具備有效的能量使電動機轉動，永磁調速技術就可以工作；同時，永磁調速技術也不會影響設備的功率質量，不產生諧波，不產生瞬時高壓或者其他與功率質量有關的問題。

表1　聚杏九污水站2#外輸泵改造前生產情況統計

圖3　氣隙調節設備現場安裝

圖4　嚙合面積調速機構原理

圖5　嚙合面積調節原理

圖6　嚙合面積調節設備現場安裝

2　現場應用

杏北油田在2010年引進該項技術，并先后在聚杏九污、杏六三元污和杏十聯3座站的3臺高能耗污水泵及101轉油站1臺摻水泵上安裝了永磁驅動裝置，收到了較好的節能效果。

2.1聚杏九污水站

該站處理杏四區西部聚驅采出水和部分杏九聯水驅水，水量共計8000 m3/d左右，濾后水除外輸至新杏九注水站回注外，部分濾后水靠重力輸送至聚杏九轉油站加熱回摻井口。由于輸送至聚杏九轉油站的濾后水靠重力輸送，為保證凈化水罐液位滿足需求，同時防止水罐溢流，需要根據液位情況不斷調節外輸泵出口閥門，大大增加了崗位工人的勞動強度。外輸泵每天外輸水量6000 m3，啟運2#外輸水泵，詳細生產情況見表1。

現場安裝第一種永磁調速器，氣隙間距為4～35 mm，其大小與執行器開度呈線性關系，隨著執行器開度的增加而減小。該站安裝的永磁調速裝置執行器開度與外輸水罐液位采用閉環控制，執行器可根據水罐液位高低自動調節。改造泵調試過程中，執行器開度由20%逐步上升到90%，輸出轉速由482 r/min上升到1377 r/min，水量由180 m3/h上升到400 m3/h，達到滿負荷，電流由78 A上升到192 A，泵壓由0.6 MPa下降至0.19 MPa。詳細數據見表2。

調試中發現，永磁調速裝置的氣隙間距與輸出轉速基本呈線性關系，輸出轉速隨著氣隙間距的增大而減小。其對應關系見圖7。

圖7　永磁調速裝置氣隙間距與輸出轉速的關系

聚杏九2#外輸泵改造后，平均單耗為0.104 kWh/m3，與改造前相比下降了0.256 kWh/m3，節電率達71.1%。詳細數據見表3。

2.2 101轉油站

摻水泵將處理后的采出水外輸至各計量間供單井摻水及熱洗，壓力要求達到2.0 MPa。目前該站摻水量為130 m3/h，運行1#和3#摻水泵。針對2臺摻水泵的總能耗進行對比，改造前日平均摻水量為3001 m3，3#泵電流125 A，壓力2.2 MPa，日總耗電量3 549.6 kWh，平均單耗為1.18 kWh/m3。

表2　聚杏九2號外輸泵永磁調速器試運行記錄

表3　聚杏九2號外輸泵改造后能耗情況統計

101轉油站改造泵為3#摻水熱洗泵，現場安裝第二種永磁調速器，安裝的永磁調速裝置執行器開度根據摻水壓力需求自動調節，目前壓力控制在2.1 MPa。改造泵運轉詳細數據見表4。

表4　 101轉油站3#摻水泵改造后能耗情況統計

改造后，3#摻水泵平均單耗為1 kWh/m3，與改造前相比下降了0.18 kWh/m3，節電率達15.2%。瞬時水量維持在120 m3，執行器開度為26%，摻水壓力達1.9 MPa，沒有出現較大波動，滿足正常生產需求，系統運行平穩。

3　節能效果

該項目實施后，改造泵運行平穩，聚杏九污水站2號外輸水泵壓力由改造前的0.6 MPa下降至0.19 MPa，泵壓降低明顯；輸水單耗由0.36 kWh/m3下降至0.104 kWh/m3，執行器開度達90%，節電率71.1%。101轉油站摻水系統節電率為15%，與聚杏九污水站不同，該站以控制液位來調節轉速，而101轉油站以控制壓力來調節轉速。為使整個摻水系統達到平穩，壓力必須穩定在2.0 MPa，導致泵壓遠遠高于聚杏九；改造后電流下降25 A，執行器的開度僅在26%，節電率低于聚杏九污水站。

4　技術分析

4.1技術優勢

1）永磁調速驅動方式與傳統驅動技術有很大的區別，電動機和負載由原來的硬（機械）鏈接轉變為軟（磁）鏈接，解決了旋轉負載系統的對中、軟啟動、減震、調速等問題，并且大幅度提高了驅動的傳動效率。

2）對于沖擊型負載可通過滑差實現緩沖與自動保護功能，且電動機完全在空載下啟動，大幅降低啟動電流，故障減少。

3）容忍對心誤差，一般可允許的偏離為0.05 mm甚至更小，需要激光對心。永磁耦合技術允許0.75 mm的偏離而且沒有振動，可以直接進行對心安裝[1]。

4）無諧波污染，不傷害電動機，不影響電網功率因數，避免了對電器設備的損耗，提高了設備的運行效率和壽命，生產中沒有出現故障停機現象，生產運行平穩。

5）占地空間小，噪聲小，解決了傳統變頻技術帶來的噪聲影響。

4.2技術劣勢

1）該項技術與變頻技術相比，投資較高，為變頻技術的2~3倍。

2）改造泵需有連軸器且電動機末端要有安裝空間，需向后移動電動機60 cm，造成大部分轉油站機泵移動后安全距離不足，且需要重新做基礎，選擇范圍較窄。

5　結論

1）從永磁調速技術現場應用效果看，該項技術調速范圍比較大，可應用到污水泵或外輸油泵上，此類泵泵壓較低，流量控制平穩，可對液位平穩控制，節能效果顯著，減少了工作量。

2）轉油站摻水泵出口壓力要求較高，實際生產中執行器開度較小，節電效果遠低于污水泵；但摻水量隨季節和實際生產需求變化，瞬時摻水量可出現較大波動，嚴重影響摻水壓力及系統平衡。安裝該裝置后可使系統壓力維持在1個平穩點，滿足各單井的水量和壓力要求。

3）永磁調速技術有一定的技術限制。杏北油田應用的永磁調速技術采用自然風冷降溫措施，由于散熱及轉矩等因素影響，還無法應用到像注水泵這樣大功率、高負荷的機泵設備上；并且，由于該裝置需要移動電動機，造成部分轉油站高能耗機泵無法安裝。

參考文獻：

[1]朱英.永磁調速技術在污水系統中的應用[J].城市建設理論研究，2012（3）：29.

（編輯李珊梅）

收稿日期2015-10-20

作者簡介：張濤，工程師，2005年畢業于大慶石油學院（石油工程專業），從事給排水設計工作，E-mail：93765800@qq.com，地址：黑龍江省大慶市讓胡路區油田設計院給排水室，163000。

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.02.006