李江（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

杏北油田地面集輸系統(tǒng)目前已建脫水站7 座、放水站2 座、轉(zhuǎn)油（放水）站52 座，污水系統(tǒng)已建各類污水站29 座。隨著開發(fā)時(shí)間的延長，油田開發(fā)進(jìn)入特高含水期，采出液物性與各項(xiàng)生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)隨之變化，導(dǎo)致大部分機(jī)泵實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷與設(shè)計(jì)能力存在較大差異，機(jī)泵單耗升高，造成能源浪費(fèi)。對此，杏北油田從“十一五”期間開始對機(jī)泵進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，主要采用變頻調(diào)速技術(shù)，但由于各站值班室均已安裝多面配電柜，部分站庫已沒有多余的空間加裝變頻裝置；因此，2010年開始應(yīng)用永磁調(diào)速技術(shù)對值班室內(nèi)的機(jī)泵進(jìn)行節(jié)能改造。

1 永磁調(diào)速技術(shù)原理

永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器是通過改變電動(dòng)機(jī)與負(fù)載之間的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。它由導(dǎo)體轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)三部分組成（圖1）。通過導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，從而在導(dǎo)體轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生交變感應(yīng)磁場，交變感應(yīng)磁場與交變永磁場相互嚙合，進(jìn)而產(chǎn)生扭矩，將動(dòng)力傳到負(fù)載側(cè)[1]。電動(dòng)機(jī)與負(fù)載設(shè)備轉(zhuǎn)軸之間無須機(jī)械連接，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)導(dǎo)磁盤在裝有強(qiáng)力稀土磁鐵的磁盤所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場中切割磁力線，因而在導(dǎo)磁盤中產(chǎn)生渦電流。該渦電流在導(dǎo)磁盤上產(chǎn)生反感磁場，拉動(dòng)導(dǎo)磁盤與磁盤的相對運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)與負(fù)載之間的轉(zhuǎn)矩傳輸。

當(dāng)永磁調(diào)速裝置接到一個(gè)控制信號(hào)后，如壓力、流量、液面高度等信號(hào)傳到永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器的控制器，控制器對信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生一個(gè)機(jī)械操作指令，來調(diào)節(jié)導(dǎo)磁體和永磁體之間的間隙大??；并根據(jù)適時(shí)的負(fù)載輸入扭矩的要求來調(diào)節(jié)永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器輸入端的扭矩大小，最終改變電動(dòng)機(jī)輸出功率，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)水泵輸出流量和/或壓力的連續(xù)控制，達(dá)到電動(dòng)機(jī)節(jié)能和提高電動(dòng)機(jī)工作效率。

圖1 永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)

2 現(xiàn)場應(yīng)用效果及適應(yīng)性

目前杏北油田共安裝永磁調(diào)速裝置20 套，污水系統(tǒng)、集輸系統(tǒng)各10 套，其中集輸系統(tǒng)主要安裝在摻水泵及污水泵上。

2.1 污水系統(tǒng)

以杏六三元、聚杏九污水站、污水泵以及聚杏Ⅱ-1、杏十三元污水站升壓泵為例進(jìn)行分析。四站安裝永磁調(diào)速裝置后節(jié)能效果顯著，平均節(jié)電率達(dá)58.34%，平均年節(jié)電量為20.28×104kWh，平均投資回收期為2.04年（表1）。

表1 污水系統(tǒng)永磁調(diào)速運(yùn)行情況對比

表2 集輸系統(tǒng)永磁調(diào)速運(yùn)行情況對比

污水系統(tǒng)在永磁調(diào)速安裝、試運(yùn)過程中未出現(xiàn)較大問題，正式投產(chǎn)以來運(yùn)行平穩(wěn)，無明顯震動(dòng)，噪音指標(biāo)正常。

2.2 集輸系統(tǒng)

以杏北1901、1101、三元-3 轉(zhuǎn)油站摻水泵以及聚九轉(zhuǎn)油放水站、杏十聯(lián)輸油崗污水泵為例進(jìn)行分析。運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示污水泵較摻水泵節(jié)電效果明顯，其主要原因是摻水泵出口壓力要求較高，為保證摻水壓力穩(wěn)定并達(dá)標(biāo)，實(shí)際生產(chǎn)中執(zhí)行器開度較小，節(jié)電效果遠(yuǎn)低于污水泵。摻水泵上安裝永磁調(diào)速裝置后，平均節(jié)電率達(dá)9.34%，平均年節(jié)電量為4.97×104kWh，平均投資回收期為6.62年。污水泵上安裝永磁調(diào)速裝置后，平均節(jié)電率達(dá)51.03%，平均年節(jié)電量為20.72×104kWh，平均投資回收期為1.63年（表2）。

2.3 技術(shù)適應(yīng)性

2.3.1 技術(shù)優(yōu)勢

1）電動(dòng)機(jī)和負(fù)載由原來的硬（機(jī)械）鏈接轉(zhuǎn)變?yōu)檐洠ù牛╂溄?，解決了旋轉(zhuǎn)負(fù)載系統(tǒng)的對中、軟啟動(dòng)、減震、調(diào)速等問題，并且使驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)效率大大提高。

2）永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器可以通過調(diào)整氣隙讓電動(dòng)機(jī)空載啟動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，調(diào)節(jié)氣隙，使負(fù)載穩(wěn)定逐步加速到所需轉(zhuǎn)速，這可以大大降低啟動(dòng)過程中的電流沖擊、電動(dòng)機(jī)線圈發(fā)熱、流量急劇變化等問題造成的影響[2]。

3）容忍對心誤差，其允許較大的軸對心偏離與軸線角度偏離（允許最大軸中心線偏離5 mm，角度偏離1°)，大大簡化了安裝調(diào)試過程。

4）無諧波污染，不傷害電動(dòng)機(jī)，不影響電網(wǎng)功率因數(shù)，避免了電器設(shè)備損耗，提高了設(shè)備的運(yùn)行效率和壽命。

5）永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器是通過改變電動(dòng)機(jī)與負(fù)載之間的滑差實(shí)現(xiàn)調(diào)速的，即電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速始終維持設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，不會(huì)因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降導(dǎo)致其過熱。

6）裝置放在泵房，解決了傳統(tǒng)變頻技術(shù)帶來的噪音影響，保護(hù)了員工的身心健康。

2.3.2 技術(shù)劣勢

1）該項(xiàng)技術(shù)與變頻技術(shù)相比，投資較高，為變頻技術(shù)的3 倍。

2）改造泵需有連軸器且電動(dòng)機(jī)末端要有安裝空間，需向后移動(dòng)電動(dòng)機(jī)60 cm，造成大部分轉(zhuǎn)油站機(jī)泵移動(dòng)后安全距離不夠1 m。

3）需要人工調(diào)節(jié)手操器完成控制泵排量，增加了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 永磁調(diào)速自動(dòng)控制技術(shù)方法研究

永磁調(diào)速技術(shù)主要應(yīng)用于油田污水崗升壓罐液位、反洗罐液位控制，轉(zhuǎn)油站摻水壓力控制。根據(jù)現(xiàn)場電動(dòng)機(jī)使用情況及儀表安裝情況，分別設(shè)計(jì)了3 種不同的方式實(shí)現(xiàn)永磁調(diào)速自動(dòng)控制。

方式一：現(xiàn)場使用FYJ 液位計(jì)監(jiān)測液位，根據(jù)液位值手動(dòng)調(diào)節(jié)智能手操器實(shí)現(xiàn)對液位的控制。將無控制輸出功能的FYJ 顯示儀表更換為有控制輸出功能的FYJ 顯示儀表，利于FYJ 液位顯示儀表自帶位置式PID 控制功能。設(shè)置液位控制設(shè)定值，將輸出信號(hào)傳遞給智能手操器，通過設(shè)定相應(yīng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)智能手操器對泵的自動(dòng)調(diào)節(jié)（圖2）。

圖2 方式一控制結(jié)構(gòu)圖

方式二：現(xiàn)場使用壓力變送器采集罐液位，根據(jù)液位值手動(dòng)調(diào)節(jié)智能手操器實(shí)現(xiàn)對液位的控制。需要安裝1 臺(tái)一分二安全柵和1 臺(tái)智能調(diào)節(jié)器，一分二安全柵將液位信號(hào)分流，智能調(diào)節(jié)器接收液位信號(hào)后向智能手操器輸出控制命令，最終由手操器實(shí)現(xiàn)對泵的自動(dòng)控制（圖3）。

圖3 方式二控制結(jié)構(gòu)圖

方式三：現(xiàn)場使用壓力變送器采集計(jì)量間摻水匯管壓力，通過測控系統(tǒng)顯示，根據(jù)壓力值手動(dòng)調(diào)節(jié)智能手操器實(shí)現(xiàn)對壓力的控制。需要增加測控系統(tǒng)模擬量輸出模塊1 個(gè)，輸出式安全柵1 臺(tái)。在測控系統(tǒng)建立PID 功能模塊，以匯管壓力作為輸入值，通過輸入值與設(shè)定值之差，計(jì)算PID 輸出值。由模擬量輸出模塊輸出控制信號(hào)，由智能手操器實(shí)現(xiàn)對泵的自動(dòng)控制（圖4）。對于現(xiàn)場未使用壓力變送器的加裝壓力變送器。

圖4 方式三控制結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論

1）在永磁調(diào)速技術(shù)改造前期選擇階段，需對泵軸、軸承、葉輪進(jìn)行檢查，盡量選擇各部件完好的泵進(jìn)行安裝，避免拖長改造時(shí)間和影響節(jié)能效果。

2）從安裝、運(yùn)行過程中看，今后安裝永磁調(diào)速裝置的機(jī)泵需重新做基礎(chǔ)，從根本上避免運(yùn)行震動(dòng)大的問題。

3）從節(jié)能效果上看，泵壓低的機(jī)泵更加適合應(yīng)用永磁調(diào)速技術(shù)，該類機(jī)泵進(jìn)行節(jié)能改造后節(jié)電效果顯著，平均節(jié)電率達(dá)50%以上，投資回收期2年以下。

4）永磁調(diào)速自動(dòng)控制技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用后，可實(shí)現(xiàn)罐液位和計(jì)量間摻水匯管壓力的自動(dòng)控制，提高永磁電動(dòng)機(jī)使用效率，減少員工勞動(dòng)強(qiáng)度，保證安全生產(chǎn)。

[1]盧永.永磁調(diào)速在機(jī)泵節(jié)能改造的應(yīng)用[J].石油石化節(jié)能,2013(10):33.

[2]鄭煒科.永磁調(diào)速系統(tǒng)(PMD)與節(jié)能[J].上海節(jié)能,2009(6):28.