永磁调速技术在杏北油田应用效果分析

张涛（大庆油田工程有限公司）



永磁调速技术在杏北油田应用效果分析

张涛（大庆油田工程有限公司）

摘要：随着油田开发的不断深入，部分污水泵、掺水泵能力与需求匹配不合理，能耗增加。通过永磁调速技术改造，根据适时的负载输入转矩的要求，调节永磁调速驱动器输入端的转矩大小，从而最终改变电动机输出功率大小，实现对输出流量或压力的连续控制，解决泵匹配不合理的问题。杏北油田已在污水站及转油站应用了该项节能技术，节电率最高达71.1%。永磁调速范围比较大，能够起到较好的节能效果。

关键词：污水站；永磁调速；单耗；压力；节电率

杏北油田共建转油站50座，普通污水处理站12座，转油站污水加热后供单井掺水及热洗，污水站滤后水均外输至所辖的深度污水站或注水站进行处理回注。但实际生产中由于转油站掺水量随季节及现场需求变化较大，造成掺水量波动较大，系统压力不平稳，间接导致泵匹配不合理。部分污水站的负荷较低，外输泵匹配单一，使这些站机泵单耗较高。目前普遍采用变频技术降低能耗，但该装置占地空间大，噪声较大，影响日常管理及工人身心健康；因此，杏北油田自2010年起引进永磁调速技术来解决上述问题。

1　永磁调速技术原理

目前，应用的永磁调速技术主要有2种调速方式，这2种永磁调速驱动器都由3个部分组成：与电动机连接的导磁体；与离心泵轴连接的永磁体；1个控制调节器，控制器包括手动控制和信号控制2种方式。

第一种永磁调速器工作原理是电动机1端永磁体和负载端感应磁场相互作用产生转矩，通过调节永磁调速驱动器气隙来控制传递的转矩，从而实现负载速度调节，达到调速节能的目的。该技术实现了在驱动（电动机）和被驱动（负载）侧没有机械链接，见图1、图2、图3。

第二种永磁调速器采用筒形导体转子、筒形永磁转子，筒形永磁转子在筒形导体转子内，其间由空气隙分开，并随各自安装的旋转轴独立转动。调节器调节筒形永磁转子与筒形导体转子在轴线方向的相对位置，以改变筒形导体转子与筒形永磁转子之间的啮合面积，实现改变筒形导体转子与筒形永磁转子间传递转矩的大小。输出转矩的大小与啮合面积相关，啮合面积越大，转矩越大，反之亦然，见图4、图5、图6。

图1　气隙调速机构原理

图2　气隙调速原理

永磁调速技术不受功率质量的影响，在功率质量很差或者在低压期间都可以工作。只要具备有效的能量使电动机转动，永磁调速技术就可以工作；同时，永磁调速技术也不会影响设备的功率质量，不产生谐波，不产生瞬时高压或者其他与功率质量有关的问题。

表1　聚杏九污水站2#外输泵改造前生产情况统计

图3　气隙调节设备现场安装

图4　啮合面积调速机构原理

图5　啮合面积调节原理

图6　啮合面积调节设备现场安装

2　现场应用

杏北油田在2010年引进该项技术，并先后在聚杏九污、杏六三元污和杏十联3座站的3台高能耗污水泵及101转油站1台掺水泵上安装了永磁驱动装置，收到了较好的节能效果。

2.1聚杏九污水站

该站处理杏四区西部聚驱采出水和部分杏九联水驱水，水量共计8000 m3/d左右，滤后水除外输至新杏九注水站回注外，部分滤后水靠重力输送至聚杏九转油站加热回掺井口。由于输送至聚杏九转油站的滤后水靠重力输送，为保证净化水罐液位满足需求，同时防止水罐溢流，需要根据液位情况不断调节外输泵出口阀门，大大增加了岗位工人的劳动强度。外输泵每天外输水量6000 m3，启运2#外输水泵，详细生产情况见表1。

现场安装第一种永磁调速器，气隙间距为4～35 mm，其大小与执行器开度呈线性关系，随着执行器开度的增加而减小。该站安装的永磁调速装置执行器开度与外输水罐液位采用闭环控制，执行器可根据水罐液位高低自动调节。改造泵调试过程中，执行器开度由20%逐步上升到90%，输出转速由482 r/min上升到1377 r/min，水量由180 m3/h上升到400 m3/h，达到满负荷，电流由78 A上升到192 A，泵压由0.6 MPa下降至0.19 MPa。详细数据见表2。

调试中发现，永磁调速装置的气隙间距与输出转速基本呈线性关系，输出转速随着气隙间距的增大而减小。其对应关系见图7。

图7　永磁调速装置气隙间距与输出转速的关系

聚杏九2#外输泵改造后，平均单耗为0.104 kWh/m3，与改造前相比下降了0.256 kWh/m3，节电率达71.1%。详细数据见表3。

2.2 101转油站

掺水泵将处理后的采出水外输至各计量间供单井掺水及热洗，压力要求达到2.0 MPa。目前该站掺水量为130 m3/h，运行1#和3#掺水泵。针对2台掺水泵的总能耗进行对比，改造前日平均掺水量为3001 m3，3#泵电流125 A，压力2.2 MPa，日总耗电量3 549.6 kWh，平均单耗为1.18 kWh/m3。

表2　聚杏九2号外输泵永磁调速器试运行记录

表3　聚杏九2号外输泵改造后能耗情况统计

101转油站改造泵为3#掺水热洗泵，现场安装第二种永磁调速器，安装的永磁调速装置执行器开度根据掺水压力需求自动调节，目前压力控制在2.1 MPa。改造泵运转详细数据见表4。

表4　 101转油站3#掺水泵改造后能耗情况统计

改造后，3#掺水泵平均单耗为1 kWh/m3，与改造前相比下降了0.18 kWh/m3，节电率达15.2%。瞬时水量维持在120 m3，执行器开度为26%，掺水压力达1.9 MPa，没有出现较大波动，满足正常生产需求，系统运行平稳。

3　节能效果

该项目实施后，改造泵运行平稳，聚杏九污水站2号外输水泵压力由改造前的0.6 MPa下降至0.19 MPa，泵压降低明显；输水单耗由0.36 kWh/m3下降至0.104 kWh/m3，执行器开度达90%，节电率71.1%。101转油站掺水系统节电率为15%，与聚杏九污水站不同，该站以控制液位来调节转速，而101转油站以控制压力来调节转速。为使整个掺水系统达到平稳，压力必须稳定在2.0 MPa，导致泵压远远高于聚杏九；改造后电流下降25 A，执行器的开度仅在26%，节电率低于聚杏九污水站。

4　技术分析

4.1技术优势

1）永磁调速驱动方式与传统驱动技术有很大的区别，电动机和负载由原来的硬（机械）链接转变为软（磁）链接，解决了旋转负载系统的对中、软启动、减震、调速等问题，并且大幅度提高了驱动的传动效率。

2）对于冲击型负载可通过滑差实现缓冲与自动保护功能，且电动机完全在空载下启动，大幅降低启动电流，故障减少。

3）容忍对心误差，一般可允许的偏离为0.05 mm甚至更小，需要激光对心。永磁耦合技术允许0.75 mm的偏离而且没有振动，可以直接进行对心安装[1]。

4）无谐波污染，不伤害电动机，不影响电网功率因数，避免了对电器设备的损耗，提高了设备的运行效率和寿命，生产中没有出现故障停机现象，生产运行平稳。

5）占地空间小，噪声小，解决了传统变频技术带来的噪声影响。

4.2技术劣势

1）该项技术与变频技术相比，投资较高，为变频技术的2~3倍。

2）改造泵需有连轴器且电动机末端要有安装空间，需向后移动电动机60 cm，造成大部分转油站机泵移动后安全距离不足，且需要重新做基础，选择范围较窄。

5　结论

1）从永磁调速技术现场应用效果看，该项技术调速范围比较大，可应用到污水泵或外输油泵上，此类泵泵压较低，流量控制平稳，可对液位平稳控制，节能效果显著，减少了工作量。

2）转油站掺水泵出口压力要求较高，实际生产中执行器开度较小，节电效果远低于污水泵；但掺水量随季节和实际生产需求变化，瞬时掺水量可出现较大波动，严重影响掺水压力及系统平衡。安装该装置后可使系统压力维持在1个平稳点，满足各单井的水量和压力要求。

3）永磁调速技术有一定的技术限制。杏北油田应用的永磁调速技术采用自然风冷降温措施，由于散热及转矩等因素影响，还无法应用到像注水泵这样大功率、高负荷的机泵设备上；并且，由于该装置需要移动电动机，造成部分转油站高能耗机泵无法安装。

参考文献：

[1]朱英.永磁调速技术在污水系统中的应用[J].城市建设理论研究，2012（3）：29.

（编辑李珊梅）

收稿日期2015-10-20

作者简介：张涛，工程师，2005年毕业于大庆石油学院（石油工程专业），从事给排水设计工作，E-mail：93765800@qq.com，地址：黑龙江省大庆市让胡路区油田设计院给排水室，163000。

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.02.006