大功率永磁同步電動機在注水、集輸系統應用研究

王東生 尹強 劉成祥（中國石化勝利油田分公司樁西采油廠）

目前樁西采油廠注水、集輸系統仍有大量Y系列、YB系列電動機在用，該系列電動機因設計效率低、損耗高，已列入國家淘汰產品目錄，禁止繼續生產，并逐步分批淘汰。永磁同步電動機是國家工信部推薦使用的節能電動機，具有結構簡單、質量輕、損耗小、效率高、功率因數高等優點。以前55 kW以上大功率永磁電動機因生產技術不成熟，沒有大批量的生產，也未在油田注水、集輸系統推廣應用。

近年來，隨著大功率永磁同步電動機生產技術的成熟，為了提高設備能效水平，降低電量損耗，達到節能降耗的目的，樁西采油廠對大功率永磁同步電動機開展應用研究，在不同負載率的情況下，測試電動機的有功功率、功率因數及電動機效率等參數，評價電動機節能效果，實現該電動機在采油廠注水、集輸系統的應用。

1 注水、集輸系統電動機現狀及存在問題

1.1 電動機現狀

經調查統計，2017年采油廠注水系統在用電動機為140臺，Y系列淘汰電動機35臺，平均使用年限10.7年（表1）。

表1 樁西采油廠注水系統淘汰電動機統計

采油廠集輸系統在用電動機為73臺，淘汰電動機20臺，其中Y系列電動機8臺，平均使用年限13.1年；YB系列電動機12臺，平均使用年限10.5年（表2）。

表2 樁西采油廠集輸系統淘汰電動機統計

1.2 電動機能效測試

QHSE監督中心于2017年開展了注水、集輸系統泵機組效率測試，淘汰電動機的測試數據如表3、表4所示。

1.3 存在問題

11臺注水泵電動機平均功率因數為0.81，平均泵機組效率為73.6%（其中有7臺未達到78%的節能指標），與油田分公司同類對比，注水系統主要能耗指標均低于油田分公司平均值，系統效率低，能源消耗大（表5）。

11臺集輸泵電動機平均功率因數為0.77，平均泵機組效率為39.3%（有8臺泵沒有達到節能指標），與油田分公司同類對比，集輸系統主要能耗指標均低于油田分公司平均值，系統效率低，能源消耗大（表6）。

表3 2017年樁西采油廠注水系統泵機組效率測試

表4 2017年樁西采油廠集輸系統泵機組效率測試

表5 2017年注水系統主要指標統計對比

表6 2017年集輸系統主要指標統計對比

2 大功率永磁同步電動機特點

大功率三相永磁同步電動機是自主創新研制的高效節能異步起動永磁同步電動機。經權威機構檢測，該產品均超過新國標GB 30253中的Ⅰ級能效，而且達到國際標準IEC 60034—30中的IE4級能效（即超超高效）[1]。該同步電動機在電動機轉子磁路上的創新和優化設計，是目前在永磁同步電動機關鍵技術領域的重大突破，產品性能和指標處于國際領先水平。與異步電動機相比具有如下特點：

1）高效節能。在25%～125%負載率范圍內具有高效率、高功率因素等特點，效率比一般三相異步電動機高8%～25%，可實現10%～40%的綜合節能；功率因素為0.08～0.18，電動機平均效率為93%～98%，對比YE3電動機效率提高了3%～5%[2]。

2）可靠，穩定。通過對永磁體材料的質量控制和工藝保護有效解決失磁問題，采用高品質免維護軸承以及真空壓力浸漆等工藝，保證電動機可在惡劣的工作環境下長期可靠運行。

該同步電動機在突加突卸大負載時，不會出現功率角振蕩，也不會出現失步而無法運行，更不會損壞電動機；而且過載能力強，動態恢復時間快，具有較高的穩定運行性能[3]。

3）自起動能力強。可直接替代三相異步電動機，實現異步起動，4極以上永磁同步電動機均可滿負荷直接起動，具有很強的牽入同步的能力。

4）低振動與噪聲。由于同步電動機體積小、質量輕、損耗小，高效節能，因此所需通風量減小，與同功率異步電動機比較，冷卻風扇自然減小，因而噪聲大大降低；同時由于電動機氣隙的合理設計，電流波形好，脈動轉矩及電磁噪聲明顯降低，與一般同規格異步電動機比較噪聲低10～40 dB[4]。

表7 樁西采油廠大功率永磁同步電動機節能技改效率測試

3 現場應用

3.1 安裝地點

為了達到預期測試效果，QHSE監督中心能源管理站對全廠注水、集輸系統在用電動機開展了調研。對于注水系統，選擇在205注水站2#高壓柱塞泵上開展技改應用試驗；對于集輸系統，選擇在聯合站1#循環離心泵上開展技改應用試驗。

3.2 現場安裝

1）205注水站。205注水站改造前后現場電動機見圖1。

圖1 205注水站改造前后現場電動機

2）聯合站。聯合站改造前后現場電動機見圖2。

圖2 聯合站改造前后現場電動機

3.3 實施結果

采油廠為了準確評價電動機的節能效果，在設備上安裝了電表，并每天記錄電量數據。經過核查，205注水站2#泵電表數據統計的節電率為7.35%，聯合站1#泵電表數據統計的節電率為5.82%。現場電動機節電率與測試結果基本一致，本次改造節電效果良好，達到了預期目的。

4 效益分析

安裝大功率永磁同步電動機后，在變頻調速狀態下，注水、集輸系統電動機均能實現正常啟動及運行，滿足現場生產要求。通過研究，認清了不同負載下的大功率永磁同步電動機性能技術參數變化規律及節能效果，特別在低負載區時，電動機效率更高，節電率更大，對于變頻調速的電動機具有更明顯的節電效果[5]。

1）在205注水站2#高壓柱塞泵上試驗安裝110 kW大功率永磁同步電動機1臺，改造后，電動機節電率為6.4%，注水泵機組效率提高了5.7%，平均日節電146 kWh。

2）在聯合站1#循環離心泵上試驗安裝110 kW大功率永磁同步電動機1臺，改造后，電動機節電率為5.73%，集輸泵機組效率提高了3.5%，平均日節電85 kWh（表7）。

3）改造后，2臺電動機合計日節電231 kWh，年節電8.43×104kWh，年經濟效益5.9萬元。

5 結論

大功率永磁同步電動機首次應用在注水、集輸系統，達到了預期的節能效果。目前采油廠注水、集輸系統仍有大量Y系列、YB系列淘汰電動機在運行，每年造成了大量的電能浪費，增加了采油廠的生產成本，今后將在用的淘汰電動機逐步改造成大功率永磁同步電動機，更好地推動采油廠節能降耗工作。