永磁电机在油田抽油机上的应用及发展趋势

2020-02-16刘伟

设备管理与维修 2020年4期

刘伟

（中油辽河油田公司曙光采油厂采油作业二区，辽宁盘锦 124109）

0 引言

辽河油田曙光采油厂采油二区是以稀油为主的开发区块，部分区域的油井油层近3000 m，油稠、出砂、结蜡较为严重。自1976 年投入开发，含油面积27.71 km2，地质储量4256×104t，开发层系自下而上依次为高于庄和大红峪组的潜山油层、沙河街组四段杜家台油层、沙河街组三段莲花油层和大凌河油层，油藏埋深1250～3300 m，其中沙四段杜家台油层为本区的主力开发层系。全区按所属区域及开发层系的不同，共划分为六大开发单元，按储量大小依次为曙二区杜家台、曙二区大凌河莲花、杜家台古潜山、双北杜124 井区、二区东杜家台及曙66 井区。

全区采油系统耗电占总耗电的85%以上，由于油井下泵深，综合含水高等特点，决定了油井提升设备的高耗能等多个单元设备组成，并且一直制约了油田节能降耗技术的发展和提高。每年的电费在操作成本中一直居高不下，因此，一直把设备耗电管理作为重点工作之一。近几年来，伴随原油产量的递减、含水升高等因素，及时调整工作思路，采取了一系列措施，在提高抽油机运行效率上，采取多种节电方式，提高设备系统的综合效率。首先是在电机上应用了降低装机功率的方法，在实际现场应用中存在诸多不利因素，设备运行电流大、耗电高等。安装使用高转差调速电机，电机受野外环境的影响，故障率高，维修费用增加。其次是在电力控制柜上采用各种节电方法，星角节电箱、就地补偿箱等节电技术，取得了一定效果。但都没从根本上解决低功高耗问题。为提高采油系统效率，保证电力网的经济运行，研究决定在抽油机上应用安装永磁电机，解决好能耗设备，降低用电费用。

目前，油田使用最多的是三相异步电机，其中Y、YB 系列三相异步电机是常见动力驱动装置机。异步电机具有结构简单，性能稳定，维修费用低等优点，用途广泛。三相异步电机按转子型式，分为笼型转子和绕线转子两大类，笼型转子结构简单。辽河油田地处辽河湿地，开采油井受外部地理环境制约，在苇田、稻田等复杂周边环境中安装使用，最常用的电机是封闭式（Y 系列）和防爆式（YB 系列）。封闭式电机的外壳是封闭的，有较好的防尘、防潮、防水的性能，适用于露天潮湿的地方，如抽油机和注水站用的电机。防爆式电机的外壳封闭严密，能防止可燃气体进入机内而引起爆炸，部分电机在油田防爆区域，必须安装适用于有易燃液体（气体）的危险场所。

油井安装抽油机是最基础的采油设备，有杆抽油设备主要由3 部分组成。

（1）地面部分。抽油机安装使用的三相异步电机是一种传统电机，也叫感应电机，主要作用是将电能转换成转动驱动力，由电机带动抽油机进行上、下往复运动，达到抽油杆在油井泵下提升液量。

（2）井下部分。由油管连接抽油泵。

（3）联系地面和井下的中间部分。它是由地面部分（机械）将运动和动力进行转换后，通过中间部分（杆柱或管柱）传递给井下部分（泵），再通过井下部分（泵）将能量传递给原油，完成将原油提升到地面的任务。

1 永磁电机与异步电机的工作原理及区别分析

1.1 永磁电机工作原理

永磁电机按照永磁体结构分为表面永磁同步电机（SPMSM）、内置式永磁同步电机（IPMSM）。永磁同步电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机，具有高启动转矩、启动时间较短、高过载能力等优点。

工作原理：当定子端输入三相对称电流时，由于三相定子在空间位置上相差120°，所以三相定子电流在空间中产生旋转磁场，转子旋转磁场中受到电磁力的作用运动，此时电能转化为动能。

1.2 稀土永磁电机与异步电机的区别

稀土永磁电机是由永磁体激磁，无需励磁电流，可显著提高功率因数（可达1 甚至容性），定子电流小，定子铜损耗显著减小；转子无铜耗（三相异步电机转子绕组损耗约占总损耗的20%～30%），因而发热低，可以取消风扇或减小风扇，减少摩损。永磁同步电机一般比同规格异步电机效率可提高2%～8%，并且在很宽的负载变动范围内始终保持高的效率和功率因数，尤其在轻载运行时节能效果更显著。可满足油田抽油机井需用，在抽油机启动时要求大启动转矩和最大转矩倍数的动态需求，常规异步电机启动转矩倍数和最大转矩倍数都有限，为达到要求，需选择更大容量的异步电机，到正常运行状态，异步电机则又处于轻载运行状态，效率和功率因数均较低。例如为油田抽油机设计的具有异步启动能力的永磁同步电机，启动转矩倍数可达3.6倍以上，效率可达94%，功率因数可达0.95，既满足了负载动态时大转矩的要求，还具有很高的节能效果。

1.3 永磁电机的特点

永磁同步电机可以将电机整体安装在轮轴上，形成整体的直驱体系，永磁同步电机具有以下特点。

（1）电机效率以及功率因数高。永磁电机功率因数高，高效率间宽，启动转矩大，适合稠油井安装使用，在抽油机冲次的调整上，可以在电机控制系统配电柜上设计应用，根据油井实际需要的冲次，动态调整频率，电机转数得到保障，尤其在转速较低的抽油机上使用这种优势尤其明显。

（2）电机采用自然冷却散热结构设计，全封闭式结构。采用优化的无速度反馈矢量控制系统，安装控制软件和限流压功能的驱动控制柜，实现抽油机软启动，减少抽油机减速箱的机械冲击，延长整机使用寿命。

永磁同步电机一般不受生产现场的限制，可以根据不同场所、不同设备需求设计应用。受油田生产现场的制约，部分电机必须采用防爆式设计，长期野外生产运行，恶劣条件的约束下，采用全封闭式设计，适合苇田、稻田中安装使用。

（3）过载电流大，可靠性高。该系列电机使用高性能的永磁材料提供磁场，在永磁电机的气隙磁场中较感应电流大，能承受较大负载扭距，适合油井出砂、油稠等载荷大的井上，在启动时，能够满足抽油机低冲次、长冲程运行。

（4）维修保养简单。因永磁电机设计上的优势，在油田现场使用时不受环境影响，在维护保养上，润滑点少，免润滑油、免维护，只需紧固各部螺丝即可。

2 永磁电机在抽油机的应用

油田抽油机现使用传统的高效电机Y 系列交流异步电机替代了国家淘汰的JO2 型系列电机，基本不受机型限制。因此，所有应用交流异步电机的场合都可以使用Y 系列电机替代JO2系列电机。YX 系列电机的市场潜力受到其容量的制约，原则上90 kW 以下的交流异步电机可以由YX 系列的高效电机取代，其装机容量约占交流异步电机总量的30%左右。

据统计，辽河油田曙光采油厂因生产消耗的电能在90%左右，在不同的抽油机、输油泵、发电机、压缩机、注水泵、电泵等各类电机中。对采油厂324 台抽油机电机使用情况调查，有66.4%以上运转的抽油机存在“大马拉小车”现象，电机做无功运行。例如，使用1 台十二型的抽油机所配异步电机为55 kW，8 级，经常用在16 kW 左右（负载率为29%），运行效率低。又如，配置45 m3/h 的输油泵，电机为55 kW，在变频状态下运行，实际效率仅为设计泵理论效率的50%，进一步分析表明，其所配置电机的不合理性，主要是油田动力设备的选型上，区域陈旧的老设备，耗能高、维修繁琐、费用高等是一个重要环节。合理配置选择电机，是解决费用高、维修成本高等的有力途径，也是降低油田开发各项费用的基础。

2019年3 月，采油厂联系辽河油田研究院风华电动机厂，研制生产的ZWCY225M-6 系列永磁电机，22 kW、380 V，6 级电机在曙光采油厂采油作业二区曙4-06-15 井试验，该井使用抚顺石油机械厂生产的十型抽油机，油井下泵1200 m，地下油泵为Φ38，油井产液量12 t/d，综合含水15%，配置YCCH250-6高转差电机，最大功率45 kW。安装使用永磁电机后，在原油井其他数据不变情况下，电机功率由原来的45 kW 降低到22 kW，电流由原来的65.8 A 降低到35 A，现场测试效果较好。能够低转速启动，输出扭矩大，解决了油井负荷大，启动时电流过载的情况，运行电流只有原来的1/2，抽油机安装永磁电机，启动转矩提高到3.4 倍以上，功率等级提高1～2 倍，效率和功率因数也很高，节电率为l0%～20%。使用前电机日耗电量为264 kW·h，使用后电机日耗电量为180 kW·h，节能效果较为明显。经过采油厂资产管理中心、技术监督站、安全科、生产科现场跟踪测试，能够满足生产需求。

实施前耗电量：年用电量264×365=9.64 万度，实施后耗电量：年用电量180×365=6.57 万度。将稀土永磁同步电机应用于旋切机中，无需选用矢量变频器和使用编码器，开环控制就可以保证转速精度，即保证了进给速度，提高了单板的厚薄的均匀度。稀土永磁电机的转速精度可以和伺服电机相媲美，但价格只有伺服电机的1/3，而且和异步电机一样维护非常简单。改造也非常方便，可以直接替换原有异步电机。整套系统无需选用价格较高的矢量变频器，普通变频器就可以保证转速精度，以及运行可靠性。