永磁电机在渤海油田潜油电泵上的应用与探讨

郭晓军，纪敏，文振新

（1.中海油天津分公司蓬勃作业公司；2.天津渤新机械工程有限公司，天津 300457）

近年来，在实现用能企业双碳目标、建设绿色油田的背景下，集团公司推出了一系列节能降碳降耗措施，包括推动岸电入海、加快淘汰低能效电机、安装LED 智能照明等。经过几年的努力，公司节能降耗的工作取得了一定的进展和成效，但是随着工作的持续深入开展，节能降耗也遇到了瓶颈，很难再实现跨越一个数量级的突破。永磁电机作为一款设计理念完全不同于传统异步电机的产品，以其简洁的设计、高效的驱动性能、卓越的节能效果在各行各业得到了大量推广应用，取得了非常好的经济效益和社会效益。下面针对渤海油田某矿区永磁电机的应用以及带来的经济效益进行分析。

1 工作原理

类似于异步电动机的启动原理，在给永磁电机通入三相交流电压后，对应的三相交流电流在定子绕组上产生出一个旋转磁场。一般永磁电机的转子绕组采用两对极的永磁体，分别可以用N1 和S1、N2 和S2 表示，根据电磁感应原理，在不断相互作用的过程中，定子绕组所产生的旋转磁场驱动转子开始旋转，初期带入转速较快，随后转子旋转速度必然与定子旋转磁场转速趋于一致，达到同步转速。这种磁场状态的变化最终转化成机械能，同时输出对应的扭矩，不断提升电机功率，驱动负载运行。

2 永磁电机运行特性

通过对传统的三相异步电机以及永磁电机效率曲线比较，可以发现，三相异步电动机转子绕组属于采用铜线依次缠绕而成，在转子旋转过程中，必将随之引发磁场并产生热量，消耗相应的能量；相较于与异步电机，永磁电机转子磁极采用永磁体材料制成，不存在常规电机运行过程中转子发热、消耗能量的现象。从电机的负载变化看，相比异步电动机通常只能在60%～100%额定功率内保持较高效率运行，稀土永磁同步电机可以在25%～120%额定功率的范围内保持高功率因数和高效率状态运行，表现出极大的优越性。

此外，在电机输出功率以及额定功率完全相同的情况下，永磁电机的运行效率显然比三相异步电动机更高，启动电流更低以及对电网产生的冲击更小。

3 应用实践

渤海油田某平台在2022 年底检泵作业后，替换了常规的三相异步电动机，根据油井产液情况重新投入了一款参数为220HP、2145V、61A@100Hz 的永磁电机驱动的潜油电泵，并同步优选了可以适配此类型永磁电机的变频器（型号为华云DPC1000-N-GL），以保证其安全稳定运行。

通过引用标准《DB37/789-2016 原油生产（百米吨液）用电限额》中的定义，以原油生产产液百米吨液综合用电单耗作为计算比对根据。原油生产产液百米吨液综合用电单耗是指原油在开采过程中把一吨液量从地下提升100 米每天所消耗的电能，单位：千瓦时/吨液·百米（kWh/100m·t）。

计算公式如下：X=W×100/(Q×H)。

结合油井实际情况，进行以下修正：H 为泵有效扬程，单位为m；Q 为单井日产液量，单位为t/d；X 为百米方液耗电量，单位为kWh/(100m·t)。

投运后，通过收集永磁电机运行一段时间的数据，记录如表1。

表1

综上，基于近一个月的运行数据分析，该潜油泵永磁电机较原异步电机平均百米方液耗电节能24.89%，达到预期效果。

4 优化提升措施

近期投用的3 口电潜泵永磁电机采用永磁专用变频器进行驱动，但是平台现用的大量施耐德变频器最初设计为用于传统三相异步电机的驱动。因此，结合年度设备维修费用预算情况，基于节能降碳降耗的长远考虑，如果要实现永磁同步电机的大规模推广使用，并保证永磁同步电机的可靠驱动及稳定运行，就需要对现有各种型号、各种品牌的变频器进行大规模提升改造。具体措施和建议如下。

（1）渤海油田此矿区油井深度一般在1500m 左右，为了防止变频器停机后油井残余液体回流造成电机定子绕组产生可能危及人身安全的高电压，因此，变频器输出端需要增加隔离装置，保证在地面设备供电端到井下电机负载端之间存在明显的断点，以实现永磁电机供电回路上的物理隔离，确保检维修期间的电气作业安全。

（2）原三相异步电动机极对数为一对极，工频下的额定转速为3000r/min。新投用的永磁电机极对数为两对极，如果仍要满足原来的额定转速要求，就需要变频器的额定输出频率可以达到100Hz 或者120Hz。原设计的施耐德变频器在“V/f”控制模式下的输出频率范围为0 ～70Hz，因此，需要对此类型变频器的核心功率器件及控制卡件进行升级改造，以满足永磁电机需求的频率范围。

（3）建议积极与业内永磁电机制造商厂家沟通，可以根据油田实际需求设计出一款适用于井下高温高压工况的一对极永磁电机，这样就可以满足原来的3000r/min 转速需求，而降低对老旧变频器进行大规模改造的工作量。这样，在经济投入很小的情况下，就可以取得比较可观的节能效果，短期效益良好。

5 结语

渤海油田油井开采大都采用电潜泵人工举升的方式，因此，电潜泵使用了大量的三相异步电动机驱动。以渤海油田某个矿区为例，大概有400 余口油井。相较工频电压直接启动，目前较为流行的是使用变频器启动，可以保证电机运行在30 ～70Hz 的频率范围内，在启动电流较小的情况下，也可以有足够大的启动转矩，保持良好的工作特性。但是，在节能降碳降耗的大环境下，如何提高电机运行效率、降低电机自身的固有损耗，成为摆在广大油田设备管理从业者面前的现实问题。

通过永磁电机在油田矿区的试验应用，从基础数据看短期的确取得了初步节能效果，在渤海油田具备条件的矿区可以先行先试，特别是已经接入岸电需要外购电量的设施平台。同时需要说明的是，由于永磁电机转子使用的永磁体材料对温度较敏感，随着温度的升高，永磁体的磁强度出现降低的趋势，直到达到极端温度后遭受不可逆的性能损失，此时，永磁电机就需要完全更换。因此，综合以上分析，由于永磁电机费用较高更换永磁电机带来的中长期经济效益仍然需要大量的基础数据以及结合永磁电机的使用寿命进行充分评估。