24极高效低转速稀土永磁电动机的研制与应用*

马坤 刘向东 王晓东 闫恩祥 闫敬东（胜利油田技术检测中心）

目前，低产低液油井日渐增多，油井日产液量在10 m3以下，泵的充满系数小于0.4，井上的抽油机电动机仍采用8极、12极电动机，这使抽油机的最低冲速只能调到4 min-1，而实际生产只需1～1.5 min-1，部分稠油区块的抽油机井只需要0.3 min-1，导致了2.5～3.5 min-1冲速的耗电损失，造成抽油机系统效率很低，单位产液量的耗电量增大。

1 排量系数不足井调速减速技术现状

通过降低冲速提高系统用能效率的技术主要有：电动机改造、控制柜改造、变频调速技术、机械减速传动[1]。

电动机改造，如开关磁阻电动机、电磁调速电动机以及齿轮减速电动机3 种特种节能电动机,虽然都有一定的节能效果，但均存在适用范围有限,机械或控制复杂,整体效率偏低，可靠度低，后期运行维护难以跟上的问题。

间开控制柜通过间歇抽油，对于供液能力不足、空抽和气锁现象较多的低产液量井提高系统效率具有一定效果，但该技术低对低产低效井存在安全隐患。

变频调速技术原理上虽然适用于机采系统的工况特点，但变频器对工作环境要求较高、大量使用易污染电网、成本高、可靠度差、工人维护技术缺乏等缺点使其应用受限。

机械减速传动即在抽油机电动机皮带轮和齿轮箱皮带轮之间增加一级机械减速轮，只要调整轮径的大小，就可以调整抽油机的冲速到1 min-1。对产液量低的井，安装减速装置后，抽油机整体系统效率提高，节电效果明显。缺点是井场安装麻烦，增加一级皮带传送，就增加一部分传动损失。

2 24极低转速稀土永磁电动机技术指标

针对泵排量系数不足抽油机井冲速难以有效下调的问题，综合比较各种调速减速技术及设备，技术检测中心科研技术人员开展了24 极高效低转速稀土永磁电动机的研制工作。通过开展电动机结构优化设计、提高能力指标和启动品质措施研究，有效地解决了提高空载反电势和增加启动转矩的矛盾。24极高效低转速稀土永磁电动机同步转速250 r/min-1，能使抽油机井最低冲速调整到1 min-1左右，基本满足了泵排量系数不足油井低冲速的要求。

根据对10 个采油厂以及4 个油公司泵排量系数不足井电动机装机容量和输入功率的调查结果得出，使用15 kW 电动机完全可以满足现场泵排量系数不足抽油机井的生产需要。根据油田实际情况，研制了机座号为280 mm、功率为15 kW、电压等级为380 V 的24 极永磁同步电动机。电动机的规格型号及性能指标[2]见表1。

表1 电动机设计性能指标

3 取得的成果

1）不增大280 机座号的基础上保证永磁体各项设计指标达到要求，使得磁钢在转子铁芯上达到合理布局，满足280 机座号的设计要求。主要采取了以下措施：

◇合理设计电动机磁路结构；

◇合理安排转子槽磁钢；尽可能提高原材料的利用率，选用优质的硅钢板及高牌号性能的钕铁硼永磁体，保证磁性的同时缩小磁钢的尺寸，以缩小电动机体积。

最终采用定子沿圆周均布有90 个绕组槽；转子沿圆周均布有72 个圆肩平底启动笼导条槽，在其内侧是宽为6～7 mm 的24 个沿径向均布的永磁体槽，永磁体槽内安放有径向及轴向均定位的钕铁硼永磁体，布局结构见图1。

图1 24 极电动机内部结构

2）通过合理的设计，空载反电动势设计在390 V 左右，使电动机在额定电压下呈容性负载，在低负载率下，保证电动机功率因数仍然达到0.85以上。

由于油田电网电压不稳定，一般在额定电压的±10%范围内浮动，负载特性试验的目的是为了验证在不同负荷条件下效率和功率因数是否在设计范围内[3]。在实验室对电动机进行了负载特性试验，基本情况见表2。

表2 TYCX280M-24 电动机负载特性数据

根据表2 试验数据可以作出负载特性曲线，见图2。

图2 负载特性曲线

由图2 可知24 极永磁同步电动机具有以下负载特性：

◇随p2即负载率的增大，功率因数和效率增大，在额定值附近达到最大值；

◇在负载率较低（25%）的情况下，功率因数也大于0.90，实现了在低负载率下也能保持较高的功率因数；

◇在负载率大幅度变化（25%～100%）的条件下，曲线很平滑，说明24 极永磁电动机能保持较高的效率、功率因数指标。

3）该项目获得实用新型专利一项，专利名称：低产井专用高效永磁抽油机电动机，专利号：ZL201020285810.3。

4 现场应用情况

在桩西采油厂选取5 口抽油机井更换为24 极永磁电动机后，在产液量基本不变的情况下，改造后抽油机平均有功功率从5.08 kW 降为3.68 kW，减少了1.4 kW；平均无功功率从13.18 kvar下降到1.98 kvar；平均功率因数为0.872，提高了0.514；综合节电率高达31.78%[4]，数据见表3。

表3 5 口井更换电动机前后数据对比

5 油田应用效益分析

1）胜利油田分公司抽油机井平均有功功率为7.84 kW，按节电率20%、全年运行350 天、电费0.6 元/kWh 计算，单井节电量1.37×104kWh，单井每年节约电费0.82 万元。

15 kW 的24 极永磁同步电动机可替换37 kW 及以下普通异步电动机，同时单井变压器容量可由目前的100 kVA 或50 kVA 降为30 kVA，变压器容量费为每月20 元/kVA（国家标准），单井每年变压器容量费0.48 万元，每年直接经济效益1.3 万元。

2）降低油井冲速后降低了皮带轮、抽油杆、抽油管、抽油泵等设备的磨损费用，延长了抽油机井的作业周期，节约了油井的作业费用，从而使原油的生产成本降低。

6 结论

24 极高效低转速稀土永磁电动机具有极强的针对性，节电效果非常显著，是降低泵排量系数不足井冲速的最佳技术之一。使用该电动机可有效降低供液不足井冲速，提高抽油机系统效率。该技术的成功运用，可以有效推动油田节能减排和数字化建设工作的进程，在整个石油行业产生示范效应，其社会效益和经济效益显著。

[1]闫敬东.调速（低速）技术在抽油机上的应用[J].节能技术,2008,3(2):159-162.

[2]闫敬东.永磁同步电动机在抽油机上的应用[J].石油机械,2006,36(2):54-56.

[3]王同义,闫敬东,王强,等.新型抽油机拖动系统的应用研究[J].石油机械,2002,30(10):42-45.

[4]闫敬东,陈军,姜家厅,等.抽油机用节能电动机节电效果测试和评价[J].石油机械,2000,28(4):46-48.