永磁耦合器在注水系統(tǒng)中的應(yīng)用

李俊國(guó)（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

油田注水系統(tǒng)是油田生產(chǎn)過(guò)程中的高耗能系統(tǒng)，受油田注水開發(fā)調(diào)整力度不斷加大，注水泵運(yùn)行出現(xiàn)低效高耗。為保證啟動(dòng)需求，注水泵電動(dòng)機(jī)配置裝機(jī)功率大，運(yùn)行負(fù)載率達(dá)不到合理范圍，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)、注水泵效率低，能耗高；同時(shí)受運(yùn)行過(guò)程中偏心震動(dòng)影響，注水泵及電動(dòng)機(jī)的運(yùn)保維護(hù)難度極大，嚴(yán)重影響了注水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

永磁耦合器已經(jīng)在其他工業(yè)領(lǐng)域得到規(guī)模應(yīng)用，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，節(jié)能降耗效果顯著。

1 永磁耦合器的結(jié)構(gòu)與原理

永磁耦合器用于電動(dòng)機(jī)和注水泵等負(fù)載間傳遞轉(zhuǎn)矩，以此實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)與負(fù)載之間非接觸柔性傳動(dòng)。通過(guò)調(diào)節(jié)電盤與導(dǎo)磁盤之間的氣隙大小可以調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到匹配負(fù)載工況、節(jié)能降耗的目的[1]。

永磁耦合器由導(dǎo)體轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子和調(diào)速器組成（圖1），通過(guò)漲緊套與電動(dòng)機(jī)軸及注水泵負(fù)載端連接。通過(guò)導(dǎo)體和永磁體之間的氣隙實(shí)現(xiàn)由電動(dòng)機(jī)到負(fù)載的轉(zhuǎn)矩傳輸，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)和負(fù)載間無(wú)機(jī)械連接的傳動(dòng)方式[2]。其工作原理是當(dāng)兩者之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體組件切割磁力線，在導(dǎo)體中產(chǎn)生渦電流，渦電流進(jìn)而產(chǎn)生反感磁場(chǎng)，與永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)交互作用，從而實(shí)現(xiàn)兩者之間的轉(zhuǎn)矩傳遞。

圖1 永磁耦合器結(jié)構(gòu)及安裝示意圖

2 永磁耦合器特性

1）永磁耦合器具備空載啟動(dòng)和軟啟動(dòng)功能，能保證電動(dòng)機(jī)在重載狀態(tài)下輕載啟動(dòng)，從而減緩對(duì)設(shè)備沖擊，提高傳動(dòng)效率（圖2）。注水泵及配套電動(dòng)機(jī)運(yùn)行震動(dòng)較大，永磁耦合器能較好實(shí)現(xiàn)震動(dòng)緩沖，同時(shí)保證軸向?qū)χ小?/p>

2）有效解決電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難問(wèn)題，與電動(dòng)機(jī)硬連接的剛性傳動(dòng)相比，可以至少降低1個(gè)電動(dòng)機(jī)機(jī)座號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)減少電動(dòng)機(jī)無(wú)功損耗，降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)電效果[3]。

3 永磁耦合器與變頻等技術(shù)對(duì)比

為滿足注水泵實(shí)際運(yùn)行需求，流量調(diào)整均采用在負(fù)載端安裝調(diào)整閥、回流閥等方式，進(jìn)行流量和壓力的控制；但受帶載啟動(dòng)影響，容易影響管路的密封性能，加速泵腔、閥體的磨損和汽蝕，嚴(yán)重時(shí)損壞注水泵設(shè)備，影響正常生產(chǎn)。

圖2 永磁耦合器啟動(dòng)特性曲線

與調(diào)整閥相比，注水泵應(yīng)用變頻器控制具備可自動(dòng)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)泵進(jìn)出口壓力大時(shí)能提升電動(dòng)機(jī)的保護(hù)性能，節(jié)能效果顯著。但是應(yīng)用變頻器的不足在于成本高，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)受場(chǎng)地限制，同時(shí)變頻具有高次諧波，易污染電網(wǎng)，會(huì)嚴(yán)重影響注水站的變電運(yùn)行安全[3]。

永磁耦合傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用在油田注水泵控制上，離心泵的特點(diǎn)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速成正比[4]。永磁耦合器的輸入轉(zhuǎn)矩等于輸出轉(zhuǎn)矩，負(fù)載和電動(dòng)機(jī)之間減少機(jī)械連接，能有效隔離電動(dòng)機(jī)的機(jī)械震動(dòng)，不會(huì)將其傳遞給注水泵等拖動(dòng)的負(fù)載，特別適合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)械裝置振動(dòng)對(duì)中的傳動(dòng)要求，能夠有效改善傳動(dòng)效果，提高機(jī)械傳動(dòng)效率[5]。

此外，應(yīng)用永磁耦合技術(shù)，能做到輕載啟動(dòng)（空載啟動(dòng)），輕載停機(jī)，實(shí)現(xiàn)良好的軟啟與軟停功能，有效降低電動(dòng)機(jī)的沖擊電流，也解決電動(dòng)機(jī)頻繁啟停帶來(lái)的系統(tǒng)故障問(wèn)題，提高注水系統(tǒng)的可靠性。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及效果

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用永磁耦合器2臺(tái)。從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，改造后，2 臺(tái)注水泵電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流分別下降109 A和48 A，下降了12.56%（圖3）；改造前后對(duì)注水泵電動(dòng)機(jī)的能耗參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，電動(dòng)機(jī)平均輸入功率從82.2 kW 下降到74.7 kW，下降了9.1%；平均泵水單耗從5.55 kWh/m3降到5.05 kWh/m3，下降了9.0%（表1）。

試驗(yàn)應(yīng)用結(jié)果表明，應(yīng)用永磁耦合器可以降低電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，避免電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難和超負(fù)荷燒電動(dòng)機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，為注水泵電動(dòng)機(jī)進(jìn)一步降載優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

圖3 永磁耦合與傳統(tǒng)聯(lián)結(jié)啟動(dòng)電流測(cè)試對(duì)比

表1 永磁耦合器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果對(duì)比

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，2 臺(tái)注水泵應(yīng)用永磁耦合器后，平均日節(jié)電276 kWh，按每度電0.6183 元計(jì)算，年創(chuàng)效益5.97萬(wàn)元。應(yīng)用永磁耦合器，在保證電動(dòng)機(jī)安全有效傳動(dòng)的同時(shí)，提高了注水效率，確保了平穩(wěn)可靠運(yùn)行，節(jié)能降耗效果顯著。

5 結(jié)論

1）永磁耦合器具備空載或輕載啟動(dòng)特性，可不通過(guò)機(jī)械連接傳遞動(dòng)力，改善傳動(dòng)效果，提高機(jī)械傳動(dòng)效率。

2）永磁耦合器具有動(dòng)力傳遞的軟特性，可以極大地減少由于載荷變化引起的部件沖擊、振動(dòng)，提高設(shè)備部件的疲勞壽命，實(shí)現(xiàn)對(duì)注水泵等設(shè)備的保護(hù)。

3）對(duì)比應(yīng)用永磁耦合器前后的能耗及運(yùn)行費(fèi)用結(jié)果表明，采用永磁耦合技術(shù)傳遞動(dòng)力運(yùn)行可靠，節(jié)能效果好，注水單耗可降低9.0%，與其他傳統(tǒng)技術(shù)相比更適用于油田關(guān)鍵生產(chǎn)崗位。