抽油机应用永磁变频电动机节能效果分析

郭士英（大庆头台油田开发有限责任公司）

为保证原油持续稳产，油田在“十四五”期间预计年均增加机采井数2 290 口，机采井年耗电量增加1.42×108kWh。机采能耗总量控制将随着开发规模不断增大变得更加困难，机采井能耗控制形势严峻[1]。

电动机是石油生产的主要动力，也油田主要用电设备，其耗电量约占原油生产总耗电量的80%左右。大庆油田常规抽油机数量较多，其中绝大多数采用普通三相异步电动机，Y 系列电动机较多，能耗高[2]。因此，电动机节能是油田节电的主要领域，运用先进的节能技术及措施提高抽油机井的系统效率，降低能耗，对挖掘其节能潜力、创造经济效益，提高能效管理水平有很大意义。

1 油田电动机应用现状

1.1 部分淘汰设备在用

2009年12 月，工业和信息化部发布《高耗能落后机电设备（产品）淘汰目录（第一批）》公告， 2012年、2014年和2016年又相继发布了第二、三、四批淘汰目录，见表1。

表1 中小型三相异步电动机淘汰型号与淘汰日期

目前油田采油井总数为74 801 口，其中抽油机井占总井数的81.8%（老区50.5%，外围31.3%）；螺杆泵井和电泵井分别占10%和1.5%。通过对9 178 口机采井进行现场监测，在现场检查过程中发现，有934 台在用电动机为淘汰设备，占监测总量的10.18%，说明目前仍有一定数量的淘汰电动机在用。为提高设备运行效率，降低油田生产能耗，实现提质增效，必须对高耗能落后机电设备进行淘汰更新。

1.2 电动机负载率低

游梁式抽油机是四连杆机构，启动时静载力矩较大，正常工作时驴头悬点载荷特性是交变的[3]。电动机的电流、功率、功率因数随着抽油杆上下冲程的变化而变化，为了克服启动时负载的静载力矩，对于普通的Y 系列电动机只能加大容量，造成抽油机运行过程中“大马拉小车”现象[4]。目前抽油机井电动机负载率是最低的，通过现场监测可知，抽油机电动机平均负载率小于30%，油田机采井电动机功率利用率情况见表2，运行效率低于80%，“大马拉小车”现象较普遍，降低了配电线路的功率因数，配电线路网损增大[5]。

表2 油田机采井电动机功率利用率情况

通过对油田在用电动机情况进行统计，机采系统在用Y 系列电动机数量占其在用电动机总量的37.15%，普通异步电动机容量不能根据油井工况进行调整，在低负载情况下效率更低，能耗量高[6]。

2 永磁变频电动机的应用

2.1 技术特点

永磁电动机结构和普通的三相异步电动机一样，都是由定子、转子、机壳、冷却系统等组成[7]。但是永磁电动机有其独特的结构，在转子上放有永磁体磁极。永磁变频电动机具有以下特点，永磁变频电动机结构见图1。

图1 永磁变频电动机结构图

2.1.1 效率高、更加省电

由于永磁同步电动机的磁场是由永磁体产生的，转子没有铝耗，其在轻载时效率值要比普通三相异步电动机高很多永磁变频电动机与异步电动机效能对比见图2。同时永磁电动机参数不受电动机极数的影响，因此便于设计成多极电动机，可以做成直接用永磁同步电动机驱动的直驱系统，提高了传动效率[8]。

图2 永磁变频电动机与异步电动机效能对比

2.1.2 功率因数高

永磁同步电动机在设计时，其功率因数可以调节，甚至可以设计成功率因数等于1，且与电动机极数无关，永磁变频电动机与异步电动机功率因数对比见图3。

图3 永磁变频电动机与异步电动机功率因数对比

2.1.3 启动力矩大、噪音小、温升低

永磁同步电动机在低频的时候仍能保持良好的工作状态，低频时的输出力矩较异步电动机大，运行时的噪音小[9]；转子无电阻损耗，定子绕组几乎不存在无功电流，因而电动机温升低，同体积、同重量的永磁电动机功率可提高30%左右[10]。随着电动机效率的增高，相应地损耗降低，电动机温升减小，在采用相同绝缘等级的情况下，电动机的体积可以设计的更小；电动机结构的灵活性，可以省去电动机内许多无效部分，如绕组端部，转子端环等，相应体积可以更小。

2.2 现场应用

2019年，在采油三厂对4 台安装永磁变频电动机的抽油机进行了现场节能效果测试，通过对其改造前后进行现场比对测试，安装永磁变频电动机后平均有功节电率为12.88%，无功节电率为58.47%，综合节电率为14.89%，系统效率平均提高了4.53%，取得了较好的节能效果，永磁变频电动机应用节能效果对比见表3。

表3 永磁变频电动机应用节能效果对比

3 结论

通过对永磁变频电动机现场实际应用效果来看，可以得出以下结论：

1）对于目前抽油机井负载率较低及不恒定的情况，应用永磁变频电动机可以实现调频改动电动机功率，很好地匹配电动机输出功率，轻载情况下保持较高效率。

2）应用永磁变频电动机后，抽油机井实现了降低抽油机有功及无功单耗，提高了系统效率，节能效果显著。

3）有效提高电动机功率因数，降低电动机电流、定子铜耗及配套变压器等容量，同时可降低其他辅助配套设施规格，相应系统成本更低。