永磁半直驱技术在T油田的应用与认识

2022-05-09金鑫大庆油田有限责任公司第七采油厂

石油石化节能 2022年4期

金鑫（大庆油田有限责任公司第七采油厂）

2017年，T油田在21口抽油机井上应用了永磁半直驱同步拖动装置。该装置主要应用于能耗较高以及电动机皮带消耗量较大的机采井。永磁半直驱同步拖动技术属于新兴技术，在大庆油田属先导性试验应用。目前应用超过三年，现对其节能效果、适应性、投资回收期等进行分析、梳理、总结，为后续应用提供有益借鉴。

1 系统组成与工作原理

永磁半直驱同步拖动装置属于拖动控制一体化装置，主要由永磁电动机、控制柜组成[1]，永磁电动机直接安装于抽油机减速器输入轴上并用固定装置固定于抽油机减速箱一侧。抽油机原控制柜、电动机、皮带被取消，改由永磁半直驱同步拖动装置进行驱动和控制。

永磁半直驱同步拖动装置工作原理：电网向其配套变频控制柜供电，电控系统带动永磁电动机运转，永磁电动机轴带动抽油机减速器的输入轴运转，进而带动减速箱运转，通过四连杆机构带动抽油机运转[2]。

2 现场应用与认识

2.1 节能机理与效果

2.1.1 节能机理分析

永磁半直驱技术在设计上力求节能，主要体现在三个方面：一是取消皮带传动，电动机直接传动抽油机减速箱的输入轴，传动效率高；二是电动机采用永磁型，无需励磁，消除无功，电能利用效率高；三是变频控制，具备软启动、功率随动功能，降低抽油机的启动能耗与运行能耗。

理论研究表明，各种传动的效率不同。一般情况下，链条传动效率约为96%，皮带传动效率约为91%，直接传动效率为99.5%以上[3]。相对于电动机通过皮带带动减速箱输入轴的传动方式而言，永磁半直驱电动机轴直接带动减速箱输入轴的方式传动效率更高，高出约8.5%。意味着相同负载条件下，传动效率高的设备其消耗能量低。

永磁电动机与普通异步电动机在运行效率与功率因数上具有天然优势，因为其无需励磁即可实现运转，而普通异步电动机需要电网额外提供电功方可实现运转[4]，存在电能损耗。通过效率曲线对比见图1，功率因数曲线对比见图2，可以看出，异步电动机在负载率小于50%时，其运行效率和功率因数大幅度下降，永磁电动机在负载率25%~120%时，其运行效率和功率因数均较高且变化不大（运行效率＞90%，功率因数＞0.85），其轻负载、变负载、满负载均有较好的节能效果[5]。

图1 效率曲线对比

图2 功率因数曲线对比

变频技术目前已经成为各种控制系统的标配。永磁半直驱技术配备的变频技术不仅具有改变供电频率，而且具有改变电动机运行转数、抽油机井冲次参数的功能，同时其将软启动、功率随动等功能内置于变频系统内部[6]，实现了对负载的软启动，以及运行过程中依据负载变化控制电动机功率随动，使系统从启动到运行全过程均处于节能状态运行。

2.1.2 节能效果及效益

在机采井动液面相对稳定的前提下，对全部试验井进行了实地测试，应用永磁半直驱技术前后有功功率对比见表1，所有井有功功率均下降，最小降幅13.86%，最大降幅23.78%，平均降幅19.87%。应用永磁半直驱技术前，21口试验井平均单井日耗电126.3 kWh，应用后日耗电101.2 k Wh，平均日节电25.1 k Wh，年生产时率按350天计，则平均单井年节电可达0.88×104k Wh。电费按0.637元/k Wh计算平均单井年可节电0.56万元。

表1 应用永磁半直驱技术前后有功功率对比

选取1口试验井应用永磁半直驱技术前后能耗状况对比分析。应用永磁半直驱技术前，抽油机应用的电动机为普通异步型，配电箱为变频型。应用永磁半直驱技术前后，试验井有功功率曲线形状相似，从启动与运行有功功率曲线见图3。有功功率均从0开始逐渐上升，完全运行后，在一定范围内波动；不同点在于完全运行状态下，永磁半直驱技术较异步电动机配备变频技术的有功功率整体偏低。功率因数曲线对比见图4，从曲线对比中可以看出，永磁半直驱技术的功率因数很高，基本没有无功消耗，与普通异步电动机的无功功率以热量形式损耗掉相比，其从电网索取的电能更少[7]。以上说明，在相同负载条件下，永磁半直驱技术电能消耗更少，原因取决于其永磁电动机与取消皮带传动的设计有关。

图3 启动与运行有功功率曲线

图4 功率因数曲线对比

2.2 举升效率

现场选取5口井，对“普通异步电动机+变频控制柜”形式和永磁半直驱形式的两种拖动方式应用于同一机采井后的举升效率进行了对比分析。利用仪器仪表对油压、套压、动液面进行测试，采用罐车计产方式对日产液量进行量取。利用原油举升系统的效率公式[8]计算机采井在两种拖动方式下的效率值。举升效率对比见表2，在T油田地质[9]条件下，机采井正常生产时，永磁半直驱拖动的抽油机系统的效率平均值可达15.79%，最高可达22.46%，最低可达10.04%，均较“普通异步电动机+变频控制柜”形式拖动的抽油机系统效率高，平均高出3.23%。

表2 举升效率对比

2.3 额定功率选择

电动机功率利用率应在一定范围内，以保证电动机合理利用。功率利用率过低，说明功率浪费严重，即所谓的“大马拉小车”；功率利用率过高，说明电动机长期处于高负荷状态，电流、温升均较大，即所谓的“小马拉大车”。实践证明，一般情况下，普通异步电动机功率利用率应保持在20%~45%较为适宜，既不造成功率浪费，也不会使电动机长期处于高负荷状态。永磁电动机的自身结构与机械特性决定了较普通异步电动机具有更宽的功率利用率[10]，实践证明，一般其功率利用率在20%~55%。

上述说明，永磁电动机功率利用率较普通异步电动机高，因此在选择永磁电动机时，其额定功率的选择应合理下调，确保企业在保障生产的同时成本最低。

计算实际功率时，一般依据单井的抽油杆杆柱、液柱重，以及具体的游梁式抽油机四连杆各部尺寸、减速箱输出效率等几个方面进行，且计算结果一般根据油田地质情况需要乘以一个系数，以确保井下砂、蜡等条件的各种变化带来的负载变化。

在进行一系列计算后，可得出电动机的输出扭矩，电动机功率计算公式：

式中：P为电动机实际功率，k W；M为电动机实际扭矩，k N·m；n为电动机转速，r/min。

功率确定后，再确定电动机的额定功率：

式中：P额为额定功率，kW；α为功率系数，不同油田取值不同，T油田一般取1.3~1.4；P为电动机实际功率，kW；η为功率利用率。

依据公式（1）、（2），对21口井的实际情况进行了计算，计算出功率利用率在20%~55%时电动机的额定功率范围。以功率利用率40%的现场经验值以及供应商提供的三种电动机功率类型（22、30、37 kW）为依据，确定实际额定功率。额定功率选择情况见表3，结果表明，1#，4#，9#，10#，12#，13#，14#，16#，17#，18#井的永磁半直驱电动机额定功率选择为22 kW，其余井永磁半直驱电动机额定功率选择为30 k W。

表3 额定功率选择情况

2.4 清蜡点确定

机采井井下负载会直接体现在两个方面：一是光杆载荷，二是电动机电流。光杆载荷数据通过测试示功图的方式获得，一般每月进行一次；电动机电流通过电流表直接测试的方式获得，每天进行一次。因电动机电流数据的连续性较高，因此较光杆载荷更方便、更及时地反映机采井井下负载状况。T油田机采井的清蜡点判定一般依据电动机上电流进行。

实践表明，普通异步电动机上电流上升3~5 A，即证明井下结蜡较为严重，应当进行清蜡。因此，当机采井其它参数未发生变化的情况下，将普通异步电动机上电流上升达到3~5 A作为清蜡点。永磁电动机与普通异步电动机相比，其输出功率基本相同时，电流数据较普通异步电动机小，应当对永磁电动机的清蜡点进行试验。

试验采取“基本相同光杆载荷变化条件下的上电流变化值”方式，选取5口井，对永磁电动机与普通异步电动机的载荷变化值与上电流变化值对比跟踪测试见表4。结果表明，永磁电动机上电流变化达到2~3 A，即与普通异步电动机上电流上升达到3~5 A效果相同。因此，在机采井其它参数未发生变化的情况下，将永磁半直驱同步拖动装置的电动机上电流上升2~3 A作为机采井清蜡点。

表4 载荷变化值与上电流变化值对比跟踪测试

2.5 投资回收期

永磁半直驱技术应用后，减少了电能的消耗、皮带的消耗、人员及车辆的消耗。以21口试验井为基础进行计算。

投入30 k W普通异步电动机：单价0.97万元/台，投入21台；30 kW变频配电箱：单价为2.45万元，投入21台，合计费用为71.82万元。

22 kW永磁半直驱同步拖动装置：单价为7.15万元，投入21台费用为150.15万元。21口井采用永磁半直驱技术比普通异步电动机多投入78.33万元。产出：日节电25.1 k Wh，年时率350天，21口井年节电18.448 5×104kWh，电费0.637元/kWh，则21口井年节约电费11.75万元；单井年耗费皮带6组，每组400元，21口井年可节约皮带费用5.04万元；21口井更换皮带工作年需3人，人工费用为13万元/人，累计工作时长约40天，人均年实际工作天数为250天，则人工费用为6.24万元。