高效异步电动机在海上油田节能改造中的应用

陈文奎 （中海油节能环保服务有限公司）

电动机是拖动风机、水泵、压缩机、机床、传输带等各种设备的驱动装置，是用电量最大的耗电终端设备，广泛应用于石油化工、冶金、农业、交通、市政等行业和领域[1-2]。目前，很多海上油田的电动机已使用多年，存在能耗高、效率低、老化严重等问题，耗电量大幅增加，电能浪费严重，导致海上油田生产成本居高不下，严重制约了海上油田经济的可持续发展。工信部和市场监管总局印发《电动机能效提升计划（2021—2023 年）》，我国于2021 年6 月开始实施新的电动机能效标准GB18613—2020《电动机能效限定值及能效等级》。

选取高效异步电动机作为研究对象，对其结构和节能原理进行了简述，详细分析了电动机改造后节能量的计算方法，着重介绍了在海上油田节能改造中的应用案例和节能效益。

1 高效异步电动机的简介

1.1 结构原理

高效异步电动机在结构上和普通异步电动机一样，主要由定子和转子两部分组成，定子和转子中间是空气隙，此外，还有端盖、轴承、机座等部件。定子是异步电动机固定不动的部分，由机座、定子铁芯和定子绕组构成，转子由转轴、转子铁芯和转子绕组构成。高效异步电动机同样具有结构简单、制造容易、价格便宜、运行可靠、坚固耐用、维护方便等一系列优点。

高效异步电动机的运行原理是根据电磁感应原理而工作的。当定子绕组通过三相对称交流电后，在定子与转子间产生旋转磁场，转子绕组切割该磁场在转子回路中产生感应电动势和电流，转子绕组的电流在旋转磁场的作用下，受到力的作用而使转子旋转[3]。

1.2 节能原理

高效异步电动机在将电能转换为机械能的同时，自身也损耗一部分能量，这些损耗会以热能的形式散发出去。其损耗一般可分为固定损耗、可变损耗和杂散损耗三部分[4]。

可变损耗是随负荷变化的，包括定子电阻损耗（铜损）、转子电阻损耗和电刷电阻损耗。固定损耗与负荷无关，包括铁芯损耗（铁损）和机械损耗，铁损由磁滞损耗和涡流损耗所组成，与电压的平方成正比，而磁滞损耗还与频率成反比。杂散损耗是机械损耗和其他损耗，包括风扇、转子等由于旋转引起的风阻损耗和轴承的摩擦损耗。

电动机的效率计算公式为：

式中：η为电动机的效率；Po为电动机的输出功率，kW；Pi为电动机的输入功率，kW。

输入功率等于输出功率和电动机自身损耗之和，即：

式中：P为电动机自身损耗，由固定损耗、可变损耗和杂散损耗之和，kW。

由式（1）～（2）可知，在电动机输出功率一定的条件下，电动机自身损耗越小，电动机越节能，其效率越高。

高效异步电动机采用了新理论、新结构、新材料、新工艺等先进措施[5-8]，最大限度地降低自身的铁损、铜损、机械损耗、杂散损耗等损耗，获得更大的机械能输出，大大提高了转换效率，从而达到节能的目的。高效异步电动机一般采取如下措施：

1）定子和转子铁芯采用低损耗冷轧电工硅钢板来降低铁损，实现较大幅度而且稳定地降低电动机的铁损。

2）定子和转子绕组采用低谐波绕组，改善电动机的磁势波形，从而降低定转子绕组的铜损。

3） 采用先进合理的通风结构降低机械损耗，高效异步电动机采用了锥形风罩和带锥形挡风板的风扇结构，具有优良的通风效果，可以在风耗和摩擦损耗很小的情况下产生足够的风量，达到很好的散热冷却效果，并且可以有效降低机械噪声。

4）采用有效的工艺措施降低电动机杂耗，在采用适当的定、转子槽配合和转子槽斜度的同时，适当调整定、转子气隙值并对加工后的转子进行多项处理，从而降低和控制杂散损耗。

2 节能量计算

采用高效异步电动机替换原低效电动机的方案进行节能改造，电动机输出功率基本保持不变。在进行节能量计算时，通常做法是在不考虑无功功率的情况下只计算有功功率的节电量[9-10]。而按照GB/T 12497—2006《三相异步电动机经济运行》，电动机的节约量包含有功功率节约量和无功功率节约量，若只考虑有功功率，计算结果会存在不小的偏差。为了更加精准的计算节能量，需对有功功率和无功功率的节能量分别进行计算。

1）有功功率的节约量。电动机改造后，有功功率的节约量为：

式中： ΔPp为有功功率的节约量，kW；Pi1为改造前输入的有功功率，kW；Pi2为改造后输入的有功功率，kW。

2）无功功率的节约量为：

式中： ΔQo为无功功率的节约量，kVar；Qi1为改造前输入的无功功率，kVar；Qi2为改造后输入的无功功率，kVar。

无功功率的节约量需换算成有功功率的节约量，按式（5）进行计算：

式中： ΔPo为无功功率的节约量换算成有功功率的节约量，kW；Ko为无功经济当量系数，按照GB/T 12497—2006 中的规定：当电动机直连发电动机母线Ko为0.02～0.04，二次变压取Ko为0.05～0.07，三次变压取Ko为0.08～0.10。

由式（3）（4）（5）可得综合功率：

3）综合节电量的计算

式中： ΔW为综合节电量，kWh；T为电动机运行时间，h。

4）综合节电率的计算

式中： ΔE为综合节电率，%。

3 电动机改造的典型应用

某海上油田的生产水泵电动机于2010 年生产，已使用多年，电动机内部老化严重，工作效率降低，功率因数降低，电能浪费严重，为响应国家节能降耗的相关政策，现对其进行节能改造，将其更换成同功率的高效异步电动机。改造前原电动机型号YB2-280S-4H，其额定功率为75 kW，额定电压为380 V，功率因数为0.87，效率为93.6%，运行工况相对稳定，负载率为80%。按照GB18613—2020《电动机能效限定值及能效等级》规定，额定功率75 kW 的三相异步电动机各能效等级如表1所示。

由表1 可知，75 kW-4（额定功率75 kW、极数4 极） 三级能效的三相异步电动机的效率不低于95%，而原电动机的效率为93.6%，已低于现行国家能效标准，属于国家名列的淘汰产品。由于新的电动机能效标准实施时间不长，市场上能达到一级能效标准的三相异步电动机很少，因此选择二级能效或三级能效异步电动机对原电动机进行节能改造。为了确定最佳改造方案，需对二级能效和三级能效异步电动机的节能效益进行测算分析。

3.1 电动机节能效益理论分析

为了便于分析，75kW-4 三相异步电动机的三级能效的效率取95%，二级能效的效率取96%。如果不考虑无功功率的节电量，只考虑有功功率节电量的情况下，额定功率下二级能效和三级能效异步电动机的自身损耗可根据式（1） 和式（2） 计算得出。

二级能效异步电动机的自身损耗为3.13 kW；三级能效异步电动机的自身损耗为3.95 kW。75 kW-4 三相异步电动机二级能效的损耗比三级能效要低0.82 kW。如果按每年运行8 000 h 计算，那么75 kW-4 三相异步电动机二级能效比三级能效每年节省电量6 560 kWh。如果电费按0.9 元/kWh进行计算，则每年节约电费5 904 元。

一台三级能效75 kW-4 三相异步电动机的价格约为2.9 万元，一台二级能效75 kW-4 三相异步电动机的价格约为3.5 万元，成本投入差值是0.6 万元。按每年运行8 000 h 计算，二级能效75 kW-4 三相异步电动机运行一年多就可收回所增加的成本。该海上油田生产水泵电动机的最佳改造方案是选用二级能效75 kW-4 三相异步电动机进行节能改造。

3.2 节能效益分析

改造后电动机型号为YBX4-280S-4H，属于二级能效电动机，其额定功率为75 kW，功率因数为0.88，效率为96.2%。

不考虑无功功率时，电动机改造后的节电量计算如表2 所示，改造后的节电率为2.70%，每小时节电量为1.73 kWh，一年按运行8 000 h 进行计算，则年节电量约为1.384×104kWh。

考虑无功功率时，电动机改造后节电量计算如表3 所示，有功功率的节约量为1.73 kW，无功功率节约量为2.66 W（三次变压，无功经济当量系数取0.08～0.10，取均值0.09 计算，换算成有功功率的节约量为0.24 kW）。改造后综合节电率为2.93%，每小时节电量为1.97 kWh，一年按运行8 000 h 进行计算，年节电量为1.576×104kWh。

通过表1、表2 数据对比可以看出，相比于不考虑无功功率进行节电量计算，考虑无功功率时单位节电量增加了0.24 kWh， 计算结果偏差约13.87%；同理，节电率增加了0.23%，计算结果偏差约8.52%。

该海上油田购置YBX4-280S-4H 型电动机的价格约为3.5 万元，电价为0.9 元/kWh，则不考虑无功功率时年节约电费约1.25 万元，改造投资回收期为2.8 a；则考虑无功功率时年节约电费约1.42 万元，改造投资回收期为2.46 a。

4 总结

随着我国新的电动机能效标准的实施，海上油田很多低效电动机急需进行升级改造。高效异步电动机具有效率高、结构简单、性能可靠、坚固耐用等优点，是海上油田电动机节能改造的不错选择。

在电动机节能改造项目中，三相异步电动机二级能效比三级能效具有更高的节能效益和投资价值。无功功率对节电量、节电率、电费和投资回收期的计算都有很大的影响，为了更加精准的计算节能量，需对有功功率和无功功率的节能量分别进行计算。文中采用高效异步电动机对海上油田生产水泵电动机进行节能改造，取得了不错的节能效果。经测算，改造后综合节电率为2.93%，每小时节电量为1.97 kWh，一年按运行8 000 h 进行计算，年节电量为1.576×104kWh，相当于年节约6.3 tce，同时减少15.71 t 的CO2、0.47 t 的SO2、0.24 t 的NOx和4.29 t 碳粉尘的排放。