大功率永磁同步电动机在注水、集输系统应用研究

王东生 尹强 刘成祥（中国石化胜利油田分公司桩西采油厂）

目前桩西采油厂注水、集输系统仍有大量Y系列、YB系列电动机在用，该系列电动机因设计效率低、损耗高，已列入国家淘汰产品目录，禁止继续生产，并逐步分批淘汰。永磁同步电动机是国家工信部推荐使用的节能电动机，具有结构简单、质量轻、损耗小、效率高、功率因数高等优点。以前55 kW以上大功率永磁电动机因生产技术不成熟，没有大批量的生产，也未在油田注水、集输系统推广应用。

近年来，随着大功率永磁同步电动机生产技术的成熟，为了提高设备能效水平，降低电量损耗，达到节能降耗的目的，桩西采油厂对大功率永磁同步电动机开展应用研究，在不同负载率的情况下，测试电动机的有功功率、功率因数及电动机效率等参数，评价电动机节能效果，实现该电动机在采油厂注水、集输系统的应用。

1 注水、集输系统电动机现状及存在问题

1.1 电动机现状

经调查统计，2017年采油厂注水系统在用电动机为140台，Y系列淘汰电动机35台，平均使用年限10.7年（表1）。

表1 桩西采油厂注水系统淘汰电动机统计

采油厂集输系统在用电动机为73台，淘汰电动机20台，其中Y系列电动机8台，平均使用年限13.1年；YB系列电动机12台，平均使用年限10.5年（表2）。

表2 桩西采油厂集输系统淘汰电动机统计

1.2 电动机能效测试

QHSE监督中心于2017年开展了注水、集输系统泵机组效率测试，淘汰电动机的测试数据如表3、表4所示。

1.3 存在问题

11台注水泵电动机平均功率因数为0.81，平均泵机组效率为73.6%（其中有7台未达到78%的节能指标），与油田分公司同类对比，注水系统主要能耗指标均低于油田分公司平均值，系统效率低，能源消耗大（表5）。

11台集输泵电动机平均功率因数为0.77，平均泵机组效率为39.3%（有8台泵没有达到节能指标），与油田分公司同类对比，集输系统主要能耗指标均低于油田分公司平均值，系统效率低，能源消耗大（表6）。

表3 2017年桩西采油厂注水系统泵机组效率测试

表4 2017年桩西采油厂集输系统泵机组效率测试

表5 2017年注水系统主要指标统计对比

表6 2017年集输系统主要指标统计对比

2 大功率永磁同步电动机特点

大功率三相永磁同步电动机是自主创新研制的高效节能异步起动永磁同步电动机。经权威机构检测，该产品均超过新国标GB 30253中的Ⅰ级能效，而且达到国际标准IEC 60034—30中的IE4级能效（即超超高效）[1]。该同步电动机在电动机转子磁路上的创新和优化设计，是目前在永磁同步电动机关键技术领域的重大突破，产品性能和指标处于国际领先水平。与异步电动机相比具有如下特点：

1）高效节能。在25%～125%负载率范围内具有高效率、高功率因素等特点，效率比一般三相异步电动机高8%～25%，可实现10%～40%的综合节能；功率因素为0.08～0.18，电动机平均效率为93%～98%，对比YE3电动机效率提高了3%～5%[2]。

2）可靠，稳定。通过对永磁体材料的质量控制和工艺保护有效解决失磁问题，采用高品质免维护轴承以及真空压力浸漆等工艺，保证电动机可在恶劣的工作环境下长期可靠运行。

该同步电动机在突加突卸大负载时，不会出现功率角振荡，也不会出现失步而无法运行，更不会损坏电动机；而且过载能力强，动态恢复时间快，具有较高的稳定运行性能[3]。

3）自起动能力强。可直接替代三相异步电动机，实现异步起动，4极以上永磁同步电动机均可满负荷直接起动，具有很强的牵入同步的能力。

4）低振动与噪声。由于同步电动机体积小、质量轻、损耗小，高效节能，因此所需通风量减小，与同功率异步电动机比较，冷却风扇自然减小，因而噪声大大降低；同时由于电动机气隙的合理设计，电流波形好，脉动转矩及电磁噪声明显降低，与一般同规格异步电动机比较噪声低10～40 dB[4]。

表7 桩西采油厂大功率永磁同步电动机节能技改效率测试

3 现场应用

3.1 安装地点

为了达到预期测试效果，QHSE监督中心能源管理站对全厂注水、集输系统在用电动机开展了调研。对于注水系统，选择在205注水站2#高压柱塞泵上开展技改应用试验；对于集输系统，选择在联合站1#循环离心泵上开展技改应用试验。

3.2 现场安装

1）205注水站。205注水站改造前后现场电动机见图1。

图1 205注水站改造前后现场电动机

2）联合站。联合站改造前后现场电动机见图2。

图2 联合站改造前后现场电动机

3.3 实施结果

采油厂为了准确评价电动机的节能效果，在设备上安装了电表，并每天记录电量数据。经过核查，205注水站2#泵电表数据统计的节电率为7.35%，联合站1#泵电表数据统计的节电率为5.82%。现场电动机节电率与测试结果基本一致，本次改造节电效果良好，达到了预期目的。

4 效益分析

安装大功率永磁同步电动机后，在变频调速状态下，注水、集输系统电动机均能实现正常启动及运行，满足现场生产要求。通过研究，认清了不同负载下的大功率永磁同步电动机性能技术参数变化规律及节能效果，特别在低负载区时，电动机效率更高，节电率更大，对于变频调速的电动机具有更明显的节电效果[5]。

1）在205注水站2#高压柱塞泵上试验安装110 kW大功率永磁同步电动机1台，改造后，电动机节电率为6.4%，注水泵机组效率提高了5.7%，平均日节电146 kWh。

2）在联合站1#循环离心泵上试验安装110 kW大功率永磁同步电动机1台，改造后，电动机节电率为5.73%，集输泵机组效率提高了3.5%，平均日节电85 kWh（表7）。

3）改造后，2台电动机合计日节电231 kWh，年节电8.43×104kWh，年经济效益5.9万元。

5 结论

大功率永磁同步电动机首次应用在注水、集输系统，达到了预期的节能效果。目前采油厂注水、集输系统仍有大量Y系列、YB系列淘汰电动机在运行，每年造成了大量的电能浪费，增加了采油厂的生产成本，今后将在用的淘汰电动机逐步改造成大功率永磁同步电动机，更好地推动采油厂节能降耗工作。