永磁耦合器在注水系统中的应用

李俊国（大庆油田有限责任公司第六采油厂）

油田注水系统是油田生产过程中的高耗能系统，受油田注水开发调整力度不断加大，注水泵运行出现低效高耗。为保证启动需求，注水泵电动机配置装机功率大，运行负载率达不到合理范围，导致电动机、注水泵效率低，能耗高；同时受运行过程中偏心震动影响，注水泵及电动机的运保维护难度极大，严重影响了注水系统的正常运行。

永磁耦合器已经在其他工业领域得到规模应用，其特点是结构简单，性能可靠，节能降耗效果显著。

1 永磁耦合器的结构与原理

永磁耦合器用于电动机和注水泵等负载间传递转矩，以此实现电动机与负载之间非接触柔性传动。通过调节电盘与导磁盘之间的气隙大小可以调节负载转速，从而达到匹配负载工况、节能降耗的目的[1]。

永磁耦合器由导体转子、永磁转子和调速器组成（图1），通过涨紧套与电动机轴及注水泵负载端连接。通过导体和永磁体之间的气隙实现由电动机到负载的转矩传输，可实现电动机和负载间无机械连接的传动方式[2]。其工作原理是当两者之间相对运动时，导体组件切割磁力线，在导体中产生涡电流，涡电流进而产生反感磁场，与永磁体产生的磁场交互作用，从而实现两者之间的转矩传递。

图1 永磁耦合器结构及安装示意图

2 永磁耦合器特性

1）永磁耦合器具备空载启动和软启动功能，能保证电动机在重载状态下轻载启动，从而减缓对设备冲击，提高传动效率（图2）。注水泵及配套电动机运行震动较大，永磁耦合器能较好实现震动缓冲，同时保证轴向对中。

2）有效解决电动机启动困难问题，与电动机硬连接的刚性传动相比，可以至少降低1个电动机机座号，从而实现减少电动机无功损耗，降低对电网的冲击，提高电网的功率因数，达到节电效果[3]。

3 永磁耦合器与变频等技术对比

为满足注水泵实际运行需求，流量调整均采用在负载端安装调整阀、回流阀等方式，进行流量和压力的控制；但受带载启动影响，容易影响管路的密封性能，加速泵腔、阀体的磨损和汽蚀，严重时损坏注水泵设备，影响正常生产。

图2 永磁耦合器启动特性曲线

与调整阀相比，注水泵应用变频器控制具备可自动调速的优点，当泵进出口压力大时能提升电动机的保护性能，节能效果显著。但是应用变频器的不足在于成本高，现场安装时受场地限制，同时变频具有高次谐波，易污染电网，会严重影响注水站的变电运行安全[3]。

永磁耦合传动技术应用在油田注水泵控制上，离心泵的特点是负载转矩和转速成正比[4]。永磁耦合器的输入转矩等于输出转矩，负载和电动机之间减少机械连接，能有效隔离电动机的机械震动，不会将其传递给注水泵等拖动的负载，特别适合现场对机械装置振动对中的传动要求，能够有效改善传动效果，提高机械传动效率[5]。

此外，应用永磁耦合技术，能做到轻载启动（空载启动），轻载停机，实现良好的软启与软停功能，有效降低电动机的冲击电流，也解决电动机频繁启停带来的系统故障问题，提高注水系统的可靠性。

4 现场试验及效果

现场试验应用永磁耦合器2台。从测试数据可以看出，改造后，2 台注水泵电动机的启动电流分别下降109 A和48 A，下降了12.56%（图3）；改造前后对注水泵电动机的能耗参数进行测试，电动机平均输入功率从82.2 kW 下降到74.7 kW，下降了9.1%；平均泵水单耗从5.55 kWh/m3降到5.05 kWh/m3，下降了9.0%（表1）。

试验应用结果表明，应用永磁耦合器可以降低电动机启动转矩，避免电动机启动困难和超负荷烧电动机的风险，为注水泵电动机进一步降载优化奠定了基础。

图3 永磁耦合与传统联结启动电流测试对比

表1 永磁耦合器现场试验效果对比

通过现场测试，2 台注水泵应用永磁耦合器后，平均日节电276 kWh，按每度电0.6183 元计算，年创效益5.97万元。应用永磁耦合器，在保证电动机安全有效传动的同时，提高了注水效率，确保了平稳可靠运行，节能降耗效果显著。

5 结论

1）永磁耦合器具备空载或轻载启动特性，可不通过机械连接传递动力，改善传动效果，提高机械传动效率。

2）永磁耦合器具有动力传递的软特性，可以极大地减少由于载荷变化引起的部件冲击、振动，提高设备部件的疲劳寿命，实现对注水泵等设备的保护。

3）对比应用永磁耦合器前后的能耗及运行费用结果表明，采用永磁耦合技术传递动力运行可靠，节能效果好，注水单耗可降低9.0%，与其他传统技术相比更适用于油田关键生产岗位。