永磁電機在渤海油田潛油電泵上的應用與探討

郭曉軍，紀敏，文振新

（1.中海油天津分公司蓬勃作業公司；2.天津渤新機械工程有限公司，天津 300457）

近年來，在實現用能企業雙碳目標、建設綠色油田的背景下，集團公司推出了一系列節能降碳降耗措施，包括推動岸電入海、加快淘汰低能效電機、安裝LED 智能照明等。經過幾年的努力，公司節能降耗的工作取得了一定的進展和成效，但是隨著工作的持續深入開展，節能降耗也遇到了瓶頸，很難再實現跨越一個數量級的突破。永磁電機作為一款設計理念完全不同于傳統異步電機的產品，以其簡潔的設計、高效的驅動性能、卓越的節能效果在各行各業得到了大量推廣應用，取得了非常好的經濟效益和社會效益。下面針對渤海油田某礦區永磁電機的應用以及帶來的經濟效益進行分析。

1 工作原理

類似于異步電動機的啟動原理，在給永磁電機通入三相交流電壓后，對應的三相交流電流在定子繞組上產生出一個旋轉磁場。一般永磁電機的轉子繞組采用兩對極的永磁體，分別可以用N1 和S1、N2 和S2 表示，根據電磁感應原理，在不斷相互作用的過程中，定子繞組所產生的旋轉磁場驅動轉子開始旋轉，初期帶入轉速較快，隨后轉子旋轉速度必然與定子旋轉磁場轉速趨于一致，達到同步轉速。這種磁場狀態的變化最終轉化成機械能，同時輸出對應的扭矩，不斷提升電機功率，驅動負載運行。

2 永磁電機運行特性

通過對傳統的三相異步電機以及永磁電機效率曲線比較，可以發現，三相異步電動機轉子繞組屬于采用銅線依次纏繞而成，在轉子旋轉過程中，必將隨之引發磁場并產生熱量，消耗相應的能量；相較于與異步電機，永磁電機轉子磁極采用永磁體材料制成，不存在常規電機運行過程中轉子發熱、消耗能量的現象。從電機的負載變化看，相比異步電動機通常只能在60%～100%額定功率內保持較高效率運行，稀土永磁同步電機可以在25%～120%額定功率的范圍內保持高功率因數和高效率狀態運行，表現出極大的優越性。

此外，在電機輸出功率以及額定功率完全相同的情況下，永磁電機的運行效率顯然比三相異步電動機更高，啟動電流更低以及對電網產生的沖擊更小。

3 應用實踐

渤海油田某平臺在2022 年底檢泵作業后，替換了常規的三相異步電動機，根據油井產液情況重新投入了一款參數為220HP、2145V、61A@100Hz 的永磁電機驅動的潛油電泵，并同步優選了可以適配此類型永磁電機的變頻器（型號為華云DPC1000-N-GL），以保證其安全穩定運行。

通過引用標準《DB37/789-2016 原油生產（百米噸液）用電限額》中的定義，以原油生產產液百米噸液綜合用電單耗作為計算比對根據。原油生產產液百米噸液綜合用電單耗是指原油在開采過程中把一噸液量從地下提升100 米每天所消耗的電能，單位：千瓦時/噸液·百米（kWh/100m·t）。

計算公式如下：X=W×100/(Q×H)。

結合油井實際情況，進行以下修正：H 為泵有效揚程，單位為m；Q 為單井日產液量，單位為t/d；X 為百米方液耗電量，單位為kWh/(100m·t)。

投運后，通過收集永磁電機運行一段時間的數據，記錄如表1。

表1

綜上，基于近一個月的運行數據分析，該潛油泵永磁電機較原異步電機平均百米方液耗電節能24.89%，達到預期效果。

4 優化提升措施

近期投用的3 口電潛泵永磁電機采用永磁專用變頻器進行驅動，但是平臺現用的大量施耐德變頻器最初設計為用于傳統三相異步電機的驅動。因此，結合年度設備維修費用預算情況，基于節能降碳降耗的長遠考慮，如果要實現永磁同步電機的大規模推廣使用，并保證永磁同步電機的可靠驅動及穩定運行，就需要對現有各種型號、各種品牌的變頻器進行大規模提升改造。具體措施和建議如下。

（1）渤海油田此礦區油井深度一般在1500m 左右，為了防止變頻器停機后油井殘余液體回流造成電機定子繞組產生可能危及人身安全的高電壓，因此，變頻器輸出端需要增加隔離裝置，保證在地面設備供電端到井下電機負載端之間存在明顯的斷點，以實現永磁電機供電回路上的物理隔離，確保檢維修期間的電氣作業安全。

（2）原三相異步電動機極對數為一對極，工頻下的額定轉速為3000r/min。新投用的永磁電機極對數為兩對極，如果仍要滿足原來的額定轉速要求，就需要變頻器的額定輸出頻率可以達到100Hz 或者120Hz。原設計的施耐德變頻器在“V/f”控制模式下的輸出頻率范圍為0 ～70Hz，因此，需要對此類型變頻器的核心功率器件及控制卡件進行升級改造，以滿足永磁電機需求的頻率范圍。

（3）建議積極與業內永磁電機制造商廠家溝通，可以根據油田實際需求設計出一款適用于井下高溫高壓工況的一對極永磁電機，這樣就可以滿足原來的3000r/min 轉速需求，而降低對老舊變頻器進行大規模改造的工作量。這樣，在經濟投入很小的情況下，就可以取得比較可觀的節能效果，短期效益良好。

5 結語

渤海油田油井開采大都采用電潛泵人工舉升的方式，因此，電潛泵使用了大量的三相異步電動機驅動。以渤海油田某個礦區為例，大概有400 余口油井。相較工頻電壓直接啟動，目前較為流行的是使用變頻器啟動，可以保證電機運行在30 ～70Hz 的頻率范圍內，在啟動電流較小的情況下，也可以有足夠大的啟動轉矩，保持良好的工作特性。但是，在節能降碳降耗的大環境下，如何提高電機運行效率、降低電機自身的固有損耗，成為擺在廣大油田設備管理從業者面前的現實問題。

通過永磁電機在油田礦區的試驗應用，從基礎數據看短期的確取得了初步節能效果，在渤海油田具備條件的礦區可以先行先試，特別是已經接入岸電需要外購電量的設施平臺。同時需要說明的是，由于永磁電機轉子使用的永磁體材料對溫度較敏感，隨著溫度的升高，永磁體的磁強度出現降低的趨勢，直到達到極端溫度后遭受不可逆的性能損失，此時，永磁電機就需要完全更換。因此，綜合以上分析，由于永磁電機費用較高更換永磁電機帶來的中長期經濟效益仍然需要大量的基礎數據以及結合永磁電機的使用壽命進行充分評估。