永磁電機在油田抽油機上的應用及發展趨勢

劉 偉

（中油遼河油田公司曙光采油廠采油作業二區，遼寧盤錦 124109）

0 引言

遼河油田曙光采油廠采油二區是以稀油為主的開發區塊，部分區域的油井油層近3000 m，油稠、出砂、結蠟較為嚴重。自1976 年投入開發，含油面積27.71 km2，地質儲量4256×104t，開發層系自下而上依次為高于莊和大紅峪組的潛山油層、沙河街組四段杜家臺油層、沙河街組三段蓮花油層和大凌河油層，油藏埋深1250～3300 m，其中沙四段杜家臺油層為本區的主力開發層系。全區按所屬區域及開發層系的不同，共劃分為六大開發單元，按儲量大小依次為曙二區杜家臺、曙二區大凌河蓮花、杜家臺古潛山、雙北杜124 井區、二區東杜家臺及曙66 井區。

全區采油系統耗電占總耗電的85%以上，由于油井下泵深，綜合含水高等特點，決定了油井提升設備的高耗能等多個單元設備組成，并且一直制約了油田節能降耗技術的發展和提高。每年的電費在操作成本中一直居高不下，因此，一直把設備耗電管理作為重點工作之一。近幾年來，伴隨原油產量的遞減、含水升高等因素，及時調整工作思路，采取了一系列措施，在提高抽油機運行效率上，采取多種節電方式，提高設備系統的綜合效率。首先是在電機上應用了降低裝機功率的方法，在實際現場應用中存在諸多不利因素，設備運行電流大、耗電高等。安裝使用高轉差調速電機，電機受野外環境的影響，故障率高，維修費用增加。其次是在電力控制柜上采用各種節電方法，星角節電箱、就地補償箱等節電技術，取得了一定效果。但都沒從根本上解決低功高耗問題。為提高采油系統效率，保證電力網的經濟運行，研究決定在抽油機上應用安裝永磁電機，解決好能耗設備，降低用電費用。

目前，油田使用最多的是三相異步電機，其中Y、YB 系列三相異步電機是常見動力驅動裝置機。異步電機具有結構簡單，性能穩定，維修費用低等優點，用途廣泛。三相異步電機按轉子型式，分為籠型轉子和繞線轉子兩大類，籠型轉子結構簡單。遼河油田地處遼河濕地，開采油井受外部地理環境制約，在葦田、稻田等復雜周邊環境中安裝使用，最常用的電機是封閉式（Y 系列）和防爆式（YB 系列）。封閉式電機的外殼是封閉的，有較好的防塵、防潮、防水的性能，適用于露天潮濕的地方，如抽油機和注水站用的電機。防爆式電機的外殼封閉嚴密，能防止可燃氣體進入機內而引起爆炸，部分電機在油田防爆區域，必須安裝適用于有易燃液體（氣體）的危險場所。

油井安裝抽油機是最基礎的采油設備，有桿抽油設備主要由3 部分組成。

（1）地面部分。抽油機安裝使用的三相異步電機是一種傳統電機，也叫感應電機，主要作用是將電能轉換成轉動驅動力，由電機帶動抽油機進行上、下往復運動，達到抽油桿在油井泵下提升液量。

（2）井下部分。由油管連接抽油泵。

（3）聯系地面和井下的中間部分。它是由地面部分（機械）將運動和動力進行轉換后，通過中間部分（桿柱或管柱）傳遞給井下部分（泵），再通過井下部分（泵）將能量傳遞給原油，完成將原油提升到地面的任務。

1 永磁電機與異步電機的工作原理及區別分析

1.1 永磁電機工作原理

永磁電機按照永磁體結構分為表面永磁同步電機（SPMSM）、內置式永磁同步電機（IPMSM）。永磁同步電機是由永磁體勵磁產生同步旋轉磁場的同步電機，具有高啟動轉矩、啟動時間較短、高過載能力等優點。

工作原理：當定子端輸入三相對稱電流時，由于三相定子在空間位置上相差120°，所以三相定子電流在空間中產生旋轉磁場，轉子旋轉磁場中受到電磁力的作用運動，此時電能轉化為動能。

1.2 稀土永磁電機與異步電機的區別

稀土永磁電機是由永磁體激磁，無需勵磁電流，可顯著提高功率因數（可達1 甚至容性），定子電流小，定子銅損耗顯著減小；轉子無銅耗（三相異步電機轉子繞組損耗約占總損耗的20%～30%），因而發熱低，可以取消風扇或減小風扇，減少摩損。永磁同步電機一般比同規格異步電機效率可提高2%～8%，并且在很寬的負載變動范圍內始終保持高的效率和功率因數，尤其在輕載運行時節能效果更顯著?？蓾M足油田抽油機井需用，在抽油機啟動時要求大啟動轉矩和最大轉矩倍數的動態需求，常規異步電機啟動轉矩倍數和最大轉矩倍數都有限，為達到要求，需選擇更大容量的異步電機，到正常運行狀態，異步電機則又處于輕載運行狀態，效率和功率因數均較低。例如為油田抽油機設計的具有異步啟動能力的永磁同步電機，啟動轉矩倍數可達3.6倍以上，效率可達94%，功率因數可達0.95，既滿足了負載動態時大轉矩的要求，還具有很高的節能效果。

1.3 永磁電機的特點

永磁同步電機可以將電機整體安裝在輪軸上，形成整體的直驅體系，永磁同步電機具有以下特點。

（1）電機效率以及功率因數高。永磁電機功率因數高，高效率間寬，啟動轉矩大，適合稠油井安裝使用，在抽油機沖次的調整上，可以在電機控制系統配電柜上設計應用，根據油井實際需要的沖次，動態調整頻率，電機轉數得到保障，尤其在轉速較低的抽油機上使用這種優勢尤其明顯。

（2）電機采用自然冷卻散熱結構設計，全封閉式結構。采用優化的無速度反饋矢量控制系統，安裝控制軟件和限流壓功能的驅動控制柜，實現抽油機軟啟動，減少抽油機減速箱的機械沖擊，延長整機使用壽命。

永磁同步電機一般不受生產現場的限制，可以根據不同場所、不同設備需求設計應用。受油田生產現場的制約，部分電機必須采用防爆式設計，長期野外生產運行，惡劣條件的約束下，采用全封閉式設計，適合葦田、稻田中安裝使用。

（3）過載電流大，可靠性高。該系列電機使用高性能的永磁材料提供磁場，在永磁電機的氣隙磁場中較感應電流大，能承受較大負載扭距，適合油井出砂、油稠等載荷大的井上，在啟動時，能夠滿足抽油機低沖次、長沖程運行。

（4）維修保養簡單。因永磁電機設計上的優勢，在油田現場使用時不受環境影響，在維護保養上，潤滑點少，免潤滑油、免維護，只需緊固各部螺絲即可。

2 永磁電機在抽油機的應用

油田抽油機現使用傳統的高效電機Y 系列交流異步電機替代了國家淘汰的JO2 型系列電機，基本不受機型限制。因此，所有應用交流異步電機的場合都可以使用Y 系列電機替代JO2系列電機。YX 系列電機的市場潛力受到其容量的制約，原則上90 kW 以下的交流異步電機可以由YX 系列的高效電機取代，其裝機容量約占交流異步電機總量的30%左右。

據統計，遼河油田曙光采油廠因生產消耗的電能在90%左右，在不同的抽油機、輸油泵、發電機、壓縮機、注水泵、電泵等各類電機中。對采油廠324 臺抽油機電機使用情況調查，有66.4%以上運轉的抽油機存在“大馬拉小車”現象，電機做無功運行。例如，使用1 臺十二型的抽油機所配異步電機為55 kW，8 級，經常用在16 kW 左右（負載率為29%），運行效率低。又如，配置45 m3/h 的輸油泵，電機為55 kW，在變頻狀態下運行，實際效率僅為設計泵理論效率的50%，進一步分析表明，其所配置電機的不合理性，主要是油田動力設備的選型上，區域陳舊的老設備，耗能高、維修繁瑣、費用高等是一個重要環節。合理配置選擇電機，是解決費用高、維修成本高等的有力途徑，也是降低油田開發各項費用的基礎。

2019年3 月，采油廠聯系遼河油田研究院風華電動機廠，研制生產的ZWCY225M-6 系列永磁電機，22 kW、380 V，6 級電機在曙光采油廠采油作業二區曙4-06-15 井試驗，該井使用撫順石油機械廠生產的十型抽油機，油井下泵1200 m，地下油泵為Φ38，油井產液量12 t/d，綜合含水15%，配置YCCH250-6高轉差電機，最大功率45 kW。安裝使用永磁電機后，在原油井其他數據不變情況下，電機功率由原來的45 kW 降低到22 kW，電流由原來的65.8 A 降低到35 A，現場測試效果較好。能夠低轉速啟動，輸出扭矩大，解決了油井負荷大，啟動時電流過載的情況，運行電流只有原來的1/2，抽油機安裝永磁電機，啟動轉矩提高到3.4 倍以上，功率等級提高1～2 倍，效率和功率因數也很高，節電率為l0%～20%。使用前電機日耗電量為264 kW·h，使用后電機日耗電量為180 kW·h，節能效果較為明顯。經過采油廠資產管理中心、技術監督站、安全科、生產科現場跟蹤測試，能夠滿足生產需求。

實施前耗電量：年用電量264×365=9.64 萬度，實施后耗電量：年用電量180×365=6.57 萬度。將稀土永磁同步電機應用于旋切機中，無需選用矢量變頻器和使用編碼器，開環控制就可以保證轉速精度，即保證了進給速度，提高了單板的厚薄的均勻度。稀土永磁電機的轉速精度可以和伺服電機相媲美，但價格只有伺服電機的1/3，而且和異步電機一樣維護非常簡單。改造也非常方便，可以直接替換原有異步電機。整套系統無需選用價格較高的矢量變頻器，普通變頻器就可以保證轉速精度，以及運行可靠性。

3 結束語

永磁同步電機的安裝使用，為曙光采油廠采油設備系統節能方式提供了可借鑒的成功經驗，適合油田的生產特點，解決了作業區油井出砂、結蠟，造成油井負荷大，耗能高等問題。提高了油井開井時率，降低了生產成本，節約能源，在油田中后期勘探開發前景值得廣泛推廣。