永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)在薩北油田應(yīng)用探討

王榮久（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

隨著油田開(kāi)發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)，平均單井產(chǎn)油量下降，效益變差，采油單耗相對(duì)增加。截至2016年底，薩北油田共有抽油機(jī)井3 548口，占機(jī)采井總數(shù)的72%，耗電量占全廠總耗電量的27%，是油田耗能大戶(hù)，節(jié)能拖動(dòng)裝置應(yīng)用率已達(dá)到91.4%，挖潛余地很小。為進(jìn)一步挖掘節(jié)能降耗潛力，形成新的抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)，開(kāi)展永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)舉升現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能試驗(yàn)。通過(guò)應(yīng)用永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)，取消抽油機(jī)皮帶裝置，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)直驅(qū)的改造，可以進(jìn)一步提高節(jié)能效果。

1 永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)

1.1 節(jié)能原理

普通異步電動(dòng)機(jī)無(wú)法直接輸出減速機(jī)輸入軸所需的低轉(zhuǎn)速，所以常規(guī)游梁抽油機(jī)必須有一級(jí)皮帶減速機(jī)構(gòu)[1]。而永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)采用高性能的永磁材料制成轉(zhuǎn)子，自身即可勵(lì)磁，不再像異步電動(dòng)機(jī)那樣需要電能來(lái)提供勵(lì)磁電流，所以解決了異步電動(dòng)機(jī)存在的瓶頸，從而輸出低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動(dòng)減速機(jī)輸入軸。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

1.2.1 提高系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)效率

皮帶減速系統(tǒng)是游梁抽油機(jī)傳動(dòng)鏈中傳動(dòng)效率最低的一個(gè)環(huán)節(jié)，傳動(dòng)損耗高達(dá)10%～20%，嚴(yán)重影響了游梁抽油機(jī)的整體效率。而原有的異步電動(dòng)機(jī)額定功率時(shí)的效率為90%以上，低負(fù)載時(shí)效率更低，而抽油機(jī)大部分時(shí)候工作在低負(fù)載的工況。永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)因?yàn)椴恍枰妱?lì)磁，所以損耗比普通異步電動(dòng)機(jī)小，效率高，尤其在負(fù)載低的工況，效率仍然接近額定負(fù)載時(shí)的效率。

1.2.2 無(wú)需維護(hù)皮帶減速機(jī)構(gòu)

直驅(qū)抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置不需要皮帶減速機(jī)構(gòu)，節(jié)省了此部分初期成本及運(yùn)行成本，無(wú)需維護(hù)。

1.2.3 實(shí)現(xiàn)沖速易調(diào)節(jié)

永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)是同步電動(dòng)機(jī)的一種，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，所以不存在滑差，不會(huì)因負(fù)載加大而丟轉(zhuǎn)。又因?yàn)槿∠袅似В淮嬖诖蚧膯?wèn)題，所以可以做到無(wú)傳感器測(cè)速，進(jìn)而計(jì)算出沖速，減小了查沖的工作量。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

2.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2016年10月以來(lái)，廠陸續(xù)試驗(yàn)半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)62口井，試驗(yàn)后平均有功節(jié)電率15.24%，系統(tǒng)效率提高了4.75%[2]（表1）。

B1-D1-P071使用永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)前產(chǎn)液22.7 t，液面509.1 m，懸點(diǎn)最大載荷36.43 kN，懸點(diǎn)最小載荷20.22 kN，使用后產(chǎn)液22.8 t，液面451.05 m，最大載荷34.05 kN，最小載荷18.77 kN，功圖形狀基本無(wú)變化，永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)對(duì)抽油機(jī)井的工況無(wú)影響（圖1）。

表1 永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)效果對(duì)比

圖1 永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)前后示功圖

2.2 永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)與其它節(jié)能電動(dòng)機(jī)效果對(duì)比

目前的62口井中，使用永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)之前的拖動(dòng)設(shè)備主要分為三相異步電動(dòng)機(jī)、高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)、雙功率電動(dòng)機(jī)三類(lèi)，通過(guò)分類(lèi)統(tǒng)計(jì)（表2），可得出三相異步電動(dòng)機(jī)更換為永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)之后噸液耗電節(jié)電率16.55%和系統(tǒng)效率提高值6.38%，高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)更換為永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)之后噸液耗電節(jié)電率14.78%和系統(tǒng)效率提高值3.99%，雙功率電動(dòng)機(jī)更換為永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)之后噸液耗電節(jié)電率15.15%和系統(tǒng)效率提高值4.93%[3]。從永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)與三種電動(dòng)機(jī)安裝前后的效果對(duì)比可以看出，永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的節(jié)能效果優(yōu)于這三種電動(dòng)機(jī)，且應(yīng)用永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)更換三相異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能效果最好。

2.3 永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)模擬試驗(yàn)

2017年12月8日至2018年3月20日，在集團(tuán)公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中心能效檢測(cè)站標(biāo)準(zhǔn)井上，對(duì)永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)與常規(guī)電動(dòng)機(jī)節(jié)能對(duì)比測(cè)試。

圖2 永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)單耗曲線

表2 永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)分類(lèi)效果對(duì)比表

表3 永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)選配表

從永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的單耗曲線（圖2）可以看出，安裝永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)后具有一定的節(jié)能效果，隨著參數(shù)的增加效果逐漸變差。參數(shù)為3米4次時(shí)，液面不超過(guò)700 m，具有一定的節(jié)能效果。參數(shù)為3米5次時(shí)，液面不超過(guò)500 m，具有一定的節(jié)能效果。3米6次時(shí)，液面不超過(guò)300 m，具有一定的節(jié)能效果，永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)在輕載時(shí)節(jié)能效果較好。

2.4 永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)選配

永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)目前有22、37、45、55 kW四種功率（表3），通過(guò)計(jì)算可以看出四種電動(dòng)機(jī)的額定扭矩均大于或等于抽油機(jī)的額定扭矩，能夠滿足相應(yīng)抽油機(jī)的動(dòng)力需求[5]。

2.5 現(xiàn)場(chǎng)噪音測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)后，電動(dòng)機(jī)聲音強(qiáng)度低于改前電動(dòng)機(jī)聲音強(qiáng)度，噪音降低19.6%，見(jiàn)表4。

表4 永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)前后噪音對(duì)標(biāo)測(cè)試表

3 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

3.1 14型機(jī)效益評(píng)價(jià)

14型機(jī)一次性差值投入為0.97萬(wàn)元，具體見(jiàn)表5。

1）節(jié)電效益。試驗(yàn)永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)后，單井日節(jié)電47 kWh，年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益1.16萬(wàn)元。

2）節(jié)約皮帶費(fèi)用。原井每年更換皮帶4次，4L8V-8000 mm皮帶價(jià)格1 089元/組，年節(jié)約皮帶費(fèi)用0.44萬(wàn)元。

3）提高時(shí)率增油效益。原井更換皮帶1次停機(jī)60 min，年可增油0.68 t。2016年原油價(jià)格為1 928.27元/t，原油全成本為1 364.64元/t，年增油效益0.036萬(wàn)元。

4）節(jié)約人工。節(jié)約了更換和調(diào)整皮帶的人工，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

14型機(jī)安裝永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)差值投入0.97萬(wàn)元，年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益為1.636萬(wàn)元，差值投入回收期為0.59年。

3.2 10型機(jī)效益評(píng)價(jià)

10型機(jī)一次性差值投入為1.43萬(wàn)元，具體見(jiàn)表5。

1）節(jié)電效益。10型機(jī)試驗(yàn)永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)后，單井日節(jié)電約36 kWh，年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益0.89萬(wàn)元。

2）節(jié)約皮帶費(fèi)用。每年約更換皮帶4次，4L5V-6350 mm皮帶價(jià)格238.4元/組，年節(jié)約皮帶費(fèi)用0.095萬(wàn)元。

3）提高時(shí)率增油效益。更換皮帶1次約停機(jī)60 min，年約增油0.42 t，年增油效益0.023萬(wàn)元。

表5 14型機(jī)、10型機(jī)差值投入費(fèi)用對(duì)比

4）永磁半直驅(qū)電機(jī)差值投入1.43萬(wàn)元，年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益為1.008萬(wàn)元，差值投入回收期為1.42年。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）抽油機(jī)井安裝永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)之后對(duì)抽油機(jī)井工況無(wú)影響，平均有功節(jié)電率15.24%，系統(tǒng)效率提高4.75%[6]。

2）抽油機(jī)永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)取消了皮帶輪機(jī)構(gòu)，提高了機(jī)械傳遞效率。

3）應(yīng)用該技術(shù)，消除了皮帶維護(hù)工作，噪音低于常規(guī)電動(dòng)機(jī)。

4）永磁半直驅(qū)技術(shù)單井年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益1.32萬(wàn)元，差值投入回收期為1.06年，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。