稀土永磁電機在油田節能降耗上的研究與應用

趙亞杰 黃華 董濤 羅改芬 劉景峰

摘 要：隨著油井產量下降，原有的電機負載明顯減小，從而導致電機效率降低，生產成本增加。稀土永磁電機通過優化功率因數等主要參數，充分發揮其效率高，功率因數高、力能指標好等優勢，在實際應用中證實了稀土永磁電機的節能降耗效能。文章淺要分析了稀土永磁電機在油田節能降耗上的應用。

關鍵詞：稀土永磁電機;功率因數;電機負載率

一、現狀分析

（一）現狀分析

延長油田各個采油廠目前使用的抽油機電機大部分都是功率為7.5～18.5kW，轉速為1440r/min，調配的沖次大部分是7次/min左右，沖次普遍較高。但是隨著油田開采開發時間的延長，各個油井產量逐年降低，動液面普遍下降，所測功圖明顯出現供液不足的現象。產液量下降使得原有的電機負載明顯減小，電機在使用時很少在額定點運行，約有半數左右的電機處于輕載運行，通過對部分采油廠電機使用情況調查，處于75%以上負載運行的電機僅占18.1%，50%～75%負載的電機占35.6%，49%以下負載的電機占46.3%，大馬拉小車的現象嚴重，整機的運行效率只有38%左右，可見較低的負載率將導致電機的效率和功率因數的大幅度下降，從而造成資源的嚴重浪費和生產成本長期高居不下，與油田公司提倡的節能高效綠色環保理念相悖太遠。

（二）電動機影響因素分析

電動機是抽油機井的主要動力設備，也是油田主要的耗能設備之一，機采系統的耗電量最終也體現在電動機耗電方面。電動機的工作參數對電機效率的影響主要體現在電機功率因數和電機負載率兩項。

1.電機功率因數的計算公式

P—電機有功功率（kW）

U—電壓（V）

I—電流（A）

cosΦ—功率因數

2.電機負載率

電機負載率是指運行中電機實際輸出功率與額定功率的比值，其計算公式

通過對采油廠電機使用情況調查，處于75%以上負載運行的電機僅占18.1%，50%～75%負載的電機占35.6%，49%以下負載的電機占46.3%，大馬拉小車的現象嚴重，整機的運行效率只有38%左右，可見較低的負載率將導致電機的效率和功率因數的大幅度下降，存在這種現象的原因主要有以下兩點：

（1）投產選用電動機時為考慮啟動和在運行周期內載荷變化大的因素，不得不提高裝機功率，造成運行時的“大馬拉小車”現象。

（2）多年來抽油機的驅動電機一直采用通用的Y系列異步電機，這種電機額定功率運行時的效率和功率因數呈現最大值，而當負載降低時功率和功率因數都隨之下降，無功損耗隨之增加。

二、稀土永磁電機工作原理及特點優勢

（一）工作原理

稀土永磁電機是在異步電機轉子內部安裝永磁體以替代異步電機定子繞組中勵磁電流所提供的磁場，制成具有自起動能力的永磁同步電機。

稀土永磁電機的工作原理與電勵磁同步電機相同，都是利用定子繞組產生旋轉磁場并作用于轉子鼠籠式閉合鋁框形成磁電動力旋轉扭矩。區別在于前者是以永磁體替代勵磁繞組進行勵磁。當永磁電機的三相定子繞組（各相差120°電角度）通入頻率為f的三相交流電后，將產生一個以同步轉速推移的旋轉磁場。穩態情況下，主極磁場隨著旋轉磁場同步轉動，因此轉子轉速亦是同步轉速，定子旋轉磁場恒與永磁體建立的主極磁場保持相對靜止，它們之間相互作用并產生電磁轉矩，驅動電機旋轉并進行能量轉換。

（二）特點優勢

1.效率高

一是由于磁路系統的小型化，繞組亦趨小，從而減少了電機的銅損和鐵損，效率提高;二是在轉子上嵌入稀土永磁材料后，在正常工作時轉子與定子磁場同步運行，轉子繞組無感生電流，不存在轉子電阻和磁滯損耗;三是定子電流中無勵磁電流分量，功率因數高，定子電流小，定子側銅損下降，提高了電機效率。

2.功率因數高

稀土永磁電動機與感應電動機相比，不需要無功勵磁電流，定子繞組呈現阻性負載，可以顯著提高功率因數（可達到1，甚至容性），減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩定運行時沒有轉子銅耗，進而可以減小風扇（小容量電機甚至可以去掉風扇）和相應的風摩損耗，效率比同規格感應電動機可提高2～8個百分點。而且，永磁同步電動機在25%～120%額定負載范圍內均可保持較高的效率和功率因數，使輕載運行時節能效果更為顯著。

3.力能指標好

力能指標（效率與功率因數的乘積）更直觀地反映出電機運行的經濟效益。異步電動機在低負載率 （即不在額定點運行）的情況下，效率和功率因數下降嚴重。Y系列電機在 60%的負荷下工作時，效率下降15%，功率因數下降30%，力能指標下降40%。而永磁電機的效率和功率因數下降甚微，當電機只有20%負荷時，其力能指標仍為滿負荷的 80%以上。永磁電動機的效率在較大的負載變化范圍平坦變化保持高效率，節能效果突出。

4.電樞反應小，抗過載能力強

稀土永磁同步電動機的起動力矩和過載能力均比三相異步電動機高出一個功率等級，最大起動力矩與額定力矩之比可達3.6倍，而一般異步電動機僅有1.6倍。

三、現場應用效果

（一）耗電量大幅下降，節能效果明顯

同等條件下普通電機日平均耗電量為213.32kW·h，

稀土永磁電機日平均耗電量為124.09 kw·h，日平均節電89.23 kW·h，平均節電率為41.6%。按照工業用電 1元/kW·h，年工作360天計算，每年僅電費一項即可節省32122.8元。

（二）功率因數提高、效率提升

普通電機功率因數一般為75%～80%，稀土永磁電機功率因數為93%以上，功率因數提高13～18個百分點，系統效率由19.87%提升至26.33%。

四、結語

稀土永磁同步電機即可滿足現實生產需要，又可以適應將來產量變化的要求。最重要的是電機本身的優良性能，通過提高效率、增加功率因數、降低沖程等方式可以達到節能增效目標，切實有效長期降低運行成本，實現油田節能增效科學可持續發展。

參考文獻：

[1]張波，賀琦.永磁電動機在安塞油田抽油機上的應用與節能分析[J].石油石化節能，2014（10）.

[2]吳亞麟.稀土永磁同步電動機在油田抽油機上的應用與分析[J].井岡山學院學報，2008（6）.