半潜平台高效电机节能改造探索

袁 圆

（中海石油（中国）有限公司海南分公司，海口 570100）

全球气候变化深刻影响着人类的生存与发展，是各国共同面临的重大挑战。持续推进节能减排是应对气候变化的关键，其中工业是节能减排的重点领域。电机既是工业领域最广泛的配套驱动设备，也是“耗能大户”，深海油气生产半潜平台超80%的用电负荷为电机。

高效率电机出现于20 世纪70 年代第一次能源危机期间，其损耗与一般电动机相比下降约20%。由于能源供应的持续紧张，近年来又出现了超高效率电机，其损耗比高效率电机又下降15%～20%。这些电机的功率等级与安装尺寸关系，其他性能要求则与一般电动机相同。

目前，世界上已有十余个国家和地区发布了电动机能效标准，主要有美国、欧盟、澳大利亚和中国等。我国新版强制性标准《电动机能效限定值及能效等级》（GB 18613—2020）已于2021 年6 月1 日起正式实施。此标准实施后，IE3 效率（三级能效）将成为我国最低的三相异步电动机能效限定值，新国标还将IE4 效率列为二级能效节能评价值指标，将IE5 效率列为最高的一级能效等级指标。相较于GB 18613—2012，GB18613—2020 对电机能效限定值的要求提升幅度较大，限定的功率范围也更广。另外，新版标准还增加了8 极三相异步电动机能效等级。

1 某半潜油气生产平台电机现状

某深水半潜油气生产平台由上部组块和船体两大部分组成。上部组块设置有油气生产处理设施和生活办公模块，船体主要实现整个半潜平台的系泊、调载等功能，并拥有多个舱室用于储存凝析油、淡水等。该半潜平台上的电机主要为防爆型高效电机，总数超100 台，总功率超26 500 kW，如表1 所示。

表1 半潜平台防爆电机统计 单位：台

上部组块的电机用于驱动离心泵、柱塞泵、齿轮泵等泵类和各类风机，以满足平台油气生产的工艺需要。例如，平台的三甘醇再生系统配备了3 套三甘醇循环泵，分别由3 台37 kW 的三相异步电机驱动。平台的三甘醇主要用于天然气脱水处理，三甘醇再生系统用于脱水后的三甘醇富液再生，三甘醇循环泵的功能为循环使用三甘醇增压去三甘醇脱水系统。如果这3 台电机出现故障，则整个三甘醇脱水系统将关停，故电机在平台整个生产系统中非常重要。船体的电机主要用于锚机、电梯、舱室泵类等的驱动，以满足船体系泊、调载的需求。船体的电机故障也将影响半潜平台的系泊和调载，进而影响整个半潜平台的安全。该平台上的电机主要有国产的YBX3 系列、进口的M3JP 系列等，这些电机具有高效、节能、可靠性高、防爆结构先进、适用范围广、维护方便等优点，能广泛应用于各类防爆场合，也适用于船用电机。这些电机本身为高效电机，但由于设计建造在新标准实施之前，多数仍未能达到新标准的能效要求。此外，平台上的部分电机运用了一些节能技术，如电动吊机、船体锚机电机等采用软启动，应急海水提升泵、冷却水循环泵等加装了变频器等，在节能上有一定成效，但总体来说，与国家新版电机能效标准仍有一定差距。

为了评价平台电机节能性，取其中连续工作制的20 类设备共46 台电机与新能效标准进行对比。结果显示，接近80%的电机（39 台）未能满足新的能效指标要求，其中与标准效率值相差最大的达到11.9%，最小的为0.2%，普遍在5%～7%。功率大于等于30 kW的电机共有22 台，除了三甘醇泵的3 台电机外，其余的效率与新标准差值都大于4%，最高达到9%。如果平台上的电机均能满足国家新版能效标准，则平台在节能减排上将取得更大成效。

为确认平台现在电机效率与新标准之间的节能差距，以一滑油泵电机为例进行计算，该电机功率37 kW，效率为88%，若更换为满足新标准的高效电机，效率最低要达到93.7%。节约电能的计算公式为

式中：η1为原电机效率；η2为新标准的高效电机效率；P为电机功率；t为运行时间；n为负荷率，取75%[1]。该滑油泵电机除去停产大修等特殊时间，一年运行时间约为8 640 h，计算得到全年节约电能约16 500 kW·h。

由此可见，若该半潜平台的电机更换为新标准下的高效电机，带来的节能效果将非常明显。新版电机能效标准已经执行2 年多，相应的高效电机产业已非常成熟。在船用高效电机领域发展没有普通防爆高效电机那么迅速，但半潜平台实际环境运用普通防爆高效电机已能满足要求，故订购高效电机逐步更换气田原电机能起到一定的节能减排效果，并且满足国家对电机能效新标准的要求。

2 半潜平台电机节能改造探索

直接更换符合新标准的高效电机能满足国家电机新能效标准要求。结合平台2 年多的生产经验，新设计的高效电机在可靠性、与工艺生产要求匹配度上也更高。该半潜平台刚投产2 年，设备较新，从经济性、性价比上考虑，还可采用多种方式对电机进行节能改造，从而提高电机运行效率，达到新能效标准要求。以下对各电机节能技术进行分析，并结合半潜平台实际情况提出改造建议。

2.1 电机变频调速节能技术

目前，变频调速技术是最常用的电机节能技术，它根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。该项技术已非常成熟，且实施起来非常简单，通常只需在电机的启动控制电路中加一个变频器。在该半潜平台上，冷却水循环泵、应急海水提升泵便应用了该技术。电机变频调速技术能按照电机负载进行自动且平滑的增速、减速工作，通过电动机供电电源频率的改变，实现有效调节，从而大幅度提高工作效率，由此取得节能效果[2]。一般来讲，该技术的节电率在10%～50%，与超高效电机35%左右的节电率不相上下。其缺点主要是变频器的成本较高，使用时会产生谐波影响电网，可能会造成电机、电缆的额外发热等，更多时候用于流体负载，且当负载变化较小时节电率较低。考虑到平台电机、风机的实际情况以及经济性等因素，该技术只能用于软水泵、部分滑油泵等少数电机，才能取得明显的节能减排效果，不易做大范围的改造。

2.2 电机变极调速节能技术

变极调速也是一种较为成熟的电机控制技术，它通过改变异步电机定子绕组的极对数达到调速的目的。该技术的节电率一般在20%以上，缺点在于其为有级调速，极差较大，只能设定几个固定的转速，不能获得平滑调速。需要改造时，一般要更换电机，而电机需要设计多套绕组，并设置切换装置来达到可改变极数的目的。该技术主要应用于需要定量调节、但无须频繁调节流量的场所，在平台适用范围有限。直接更换高效电机，改造费用过高，且节能效果无优势，显然不适合平台生产工艺流程上的电机节能改造，可考虑运用该技术[3]。例如，在夏冬两个季节需要对风量进行调节，且调速的精度要求不高，可采用该节能技术进行改造。

2.3 电机调压节能技术

电机调压节能技术是通过检测电机的电压与电流相位差实时调节电压，使电机输出功率与实时负载精确匹配，以有效降低电机的损耗。此技术的优点是能对电机转速进行精准设定，并能有效调整电机的工作状态。缺点是技术较为复杂，对电源质量要求较高，且会产生电网谐波污染。该技术一般应用于负荷率较低、功率因数较低、负载变化较大且速度恒定的设备，如机床、输送带等，综合节电率仅可提高2%～5%。对于半潜平台上的设备，适用性不高且节能效果不明显，综合考虑不推荐此节能技术。

2.4 电机降容或增容增效改造

电机增容或降容增效改造技术是按实际运行工况、容量需求重新设计制造，减小或增加电动机容量，使之按需输出，达到节能目的，综合节电率可达15%[4]。该技术可应用于平台生产工况发生变化后，一些泵或电机负荷对应发生变化，即可对其进行相应降容增容改造，达到提效节能的目的。平台投产运营2 年多，整体生产工况和设计不匹配，该技术暂不适用。

2.5 其他电机节能改造技术

常见的电机节能技术还有无刷调速异步电机技术、功率因数补偿技术、电机运行系统优化技术等，这些技术节电率均不高[5]，一般在10%以下，且改造涉及范围较大，费用较高。例如：无刷调速异步电机是由两套不同极对数的定子绕组和一套绕线转子绕组构成的新型交流感应电动机，运用此技术需要更换电机；功率因数补偿法和运行系统优化涉及整个半潜平台配电的改造，性价比较低。因此，这些改造技术均不适用于目前半潜平台电机的节能改造，可以在新设计的平台上考虑运用。

电机在使用过程中，表面不可避免会积累灰尘和污垢，旋转设备轴承等也难免出现磨损，这些因素都会影响电机的能效。加强电机的清洁和维护可最大限度发挥电机的性能，从而提高电机能效。半潜平台上有部分电机的效率非常接近国家电机新能效标准要求，由于平台刚投产2 年，对于该部分电机，从经济性上考虑不宜立即更换或采用节能改造技术。从清洁度、运行环境等角度制定更严格的维保标准，加强清洁和保养工作，消除任何影响性能发挥的因素，提高其能效，以达到新标准的要求。

3 结语

为了达成“双碳”目标，我国用能设备必然会朝着绿色、低碳、节能、环保方向发展，国家新版强制性标准《电动机能效限定值及能效等级》（GB 18613—2020）正式实施更是对工业生产的电机应用提出直接要求。某深水半潜平台上共有各类电机超100 台，由于平台在国家电机新能效标准要求执行前设计建造，有近80%的电机未能满足新能效标准要求。结合平台电机的实际情况，可采用直接购置满足新能效标准要求的高效电机替换、加装变频器、变极调速等多种方式进行改造以提升能效，从而达到国家新版电机能效标准要求。此外，可通过完善电机维保制度，加强对原有高效电机的维保，提高电机保养标准，充分发挥原有电机性能，直接提升电机运行效能。后期还可结合生产工况的变化，对相应的电机进行适应生产工况的减容增容改造，达到提效节能的目的。由于油气生产安全为首要因素，电机节能改造还要充分考虑改造后电机运行的安全、平稳、可靠。