張濤（大慶油田工程有限公司）

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永磁調(diào)速技術(shù)在杏北油田應(yīng)用效果分析

張濤（大慶油田工程有限公司）

摘要：隨著油田開發(fā)的不斷深入，部分污水泵、摻水泵能力與需求匹配不合理，能耗增加。通過永磁調(diào)速技術(shù)改造，根據(jù)適時(shí)的負(fù)載輸入轉(zhuǎn)矩的要求，調(diào)節(jié)永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器輸入端的轉(zhuǎn)矩大小，從而最終改變電動(dòng)機(jī)輸出功率大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出流量或壓力的連續(xù)控制，解決泵匹配不合理的問題。杏北油田已在污水站及轉(zhuǎn)油站應(yīng)用了該項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，節(jié)電率最高達(dá)71.1%。永磁調(diào)速范圍比較大，能夠起到較好的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：污水站；永磁調(diào)速；單耗；壓力；節(jié)電率

杏北油田共建轉(zhuǎn)油站50座，普通污水處理站12座，轉(zhuǎn)油站污水加熱后供單井摻水及熱洗，污水站濾后水均外輸至所轄的深度污水站或注水站進(jìn)行處理回注。但實(shí)際生產(chǎn)中由于轉(zhuǎn)油站摻水量隨季節(jié)及現(xiàn)場(chǎng)需求變化較大，造成摻水量波動(dòng)較大，系統(tǒng)壓力不平穩(wěn)，間接導(dǎo)致泵匹配不合理。部分污水站的負(fù)荷較低，外輸泵匹配單一，使這些站機(jī)泵單耗較高。目前普遍采用變頻技術(shù)降低能耗，但該裝置占地空間大，噪聲較大，影響日常管理及工人身心健康；因此，杏北油田自2010年起引進(jìn)永磁調(diào)速技術(shù)來解決上述問題。

1　永磁調(diào)速技術(shù)原理

目前，應(yīng)用的永磁調(diào)速技術(shù)主要有2種調(diào)速方式，這2種永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器都由3個(gè)部分組成：與電動(dòng)機(jī)連接的導(dǎo)磁體；與離心泵軸連接的永磁體；1個(gè)控制調(diào)節(jié)器，控制器包括手動(dòng)控制和信號(hào)控制2種方式。

第一種永磁調(diào)速器工作原理是電動(dòng)機(jī)1端永磁體和負(fù)載端感應(yīng)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，通過調(diào)節(jié)永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)器氣隙來控制傳遞的轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載速度調(diào)節(jié)，達(dá)到調(diào)速節(jié)能的目的。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在驅(qū)動(dòng)（電動(dòng)機(jī)）和被驅(qū)動(dòng)（負(fù)載）側(cè)沒有機(jī)械鏈接，見圖1、圖2、圖3。

第二種永磁調(diào)速器采用筒形導(dǎo)體轉(zhuǎn)子、筒形永磁轉(zhuǎn)子，筒形永磁轉(zhuǎn)子在筒形導(dǎo)體轉(zhuǎn)子內(nèi)，其間由空氣隙分開，并隨各自安裝的旋轉(zhuǎn)軸獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)筒形永磁轉(zhuǎn)子與筒形導(dǎo)體轉(zhuǎn)子在軸線方向的相對(duì)位置，以改變筒形導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與筒形永磁轉(zhuǎn)子之間的嚙合面積，實(shí)現(xiàn)改變筒形導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與筒形永磁轉(zhuǎn)子間傳遞轉(zhuǎn)矩的大小。輸出轉(zhuǎn)矩的大小與嚙合面積相關(guān)，嚙合面積越大，轉(zhuǎn)矩越大，反之亦然，見圖4、圖5、圖6。

圖1　氣隙調(diào)速機(jī)構(gòu)原理

圖2　氣隙調(diào)速原理

永磁調(diào)速技術(shù)不受功率質(zhì)量的影響，在功率質(zhì)量很差或者在低壓期間都可以工作。只要具備有效的能量使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，永磁調(diào)速技術(shù)就可以工作；同時(shí)，永磁調(diào)速技術(shù)也不會(huì)影響設(shè)備的功率質(zhì)量，不產(chǎn)生諧波，不產(chǎn)生瞬時(shí)高壓或者其他與功率質(zhì)量有關(guān)的問題。

表1　聚杏九污水站2#外輸泵改造前生產(chǎn)情況統(tǒng)計(jì)

圖3　氣隙調(diào)節(jié)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝

圖4　嚙合面積調(diào)速機(jī)構(gòu)原理

圖5　嚙合面積調(diào)節(jié)原理

圖6　嚙合面積調(diào)節(jié)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝

2　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

杏北油田在2010年引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)，并先后在聚杏九污、杏六三元污和杏十聯(lián)3座站的3臺(tái)高能耗污水泵及101轉(zhuǎn)油站1臺(tái)摻水泵上安裝了永磁驅(qū)動(dòng)裝置，收到了較好的節(jié)能效果。

2.1聚杏九污水站

該站處理杏四區(qū)西部聚驅(qū)采出水和部分杏九聯(lián)水驅(qū)水，水量共計(jì)8000 m3/d左右，濾后水除外輸至新杏九注水站回注外，部分濾后水靠重力輸送至聚杏九轉(zhuǎn)油站加熱回?fù)骄?。由于輸送至聚杏九轉(zhuǎn)油站的濾后水靠重力輸送，為保證凈化水罐液位滿足需求，同時(shí)防止水罐溢流，需要根據(jù)液位情況不斷調(diào)節(jié)外輸泵出口閥門，大大增加了崗位工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。外輸泵每天外輸水量6000 m3，啟運(yùn)2#外輸水泵，詳細(xì)生產(chǎn)情況見表1。

現(xiàn)場(chǎng)安裝第一種永磁調(diào)速器，氣隙間距為4～35 mm，其大小與執(zhí)行器開度呈線性關(guān)系，隨著執(zhí)行器開度的增加而減小。該站安裝的永磁調(diào)速裝置執(zhí)行器開度與外輸水罐液位采用閉環(huán)控制，執(zhí)行器可根據(jù)水罐液位高低自動(dòng)調(diào)節(jié)。改造泵調(diào)試過程中，執(zhí)行器開度由20%逐步上升到90%，輸出轉(zhuǎn)速由482 r/min上升到1377 r/min，水量由180 m3/h上升到400 m3/h，達(dá)到滿負(fù)荷，電流由78 A上升到192 A，泵壓由0.6 MPa下降至0.19 MPa。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2。

調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，永磁調(diào)速裝置的氣隙間距與輸出轉(zhuǎn)速基本呈線性關(guān)系，輸出轉(zhuǎn)速隨著氣隙間距的增大而減小。其對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖7。

圖7　永磁調(diào)速裝置氣隙間距與輸出轉(zhuǎn)速的關(guān)系

聚杏九2#外輸泵改造后，平均單耗為0.104 kWh/m3，與改造前相比下降了0.256 kWh/m3，節(jié)電率達(dá)71.1%。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表3。

2.2 101轉(zhuǎn)油站

摻水泵將處理后的采出水外輸至各計(jì)量間供單井摻水及熱洗，壓力要求達(dá)到2.0 MPa。目前該站摻水量為130 m3/h，運(yùn)行1#和3#摻水泵。針對(duì)2臺(tái)摻水泵的總能耗進(jìn)行對(duì)比，改造前日平均摻水量為3001 m3，3#泵電流125 A，壓力2.2 MPa，日總耗電量3 549.6 kWh，平均單耗為1.18 kWh/m3。

表2　聚杏九2號(hào)外輸泵永磁調(diào)速器試運(yùn)行記錄

表3　聚杏九2號(hào)外輸泵改造后能耗情況統(tǒng)計(jì)

101轉(zhuǎn)油站改造泵為3#摻水熱洗泵，現(xiàn)場(chǎng)安裝第二種永磁調(diào)速器，安裝的永磁調(diào)速裝置執(zhí)行器開度根據(jù)摻水壓力需求自動(dòng)調(diào)節(jié)，目前壓力控制在2.1 MPa。改造泵運(yùn)轉(zhuǎn)詳細(xì)數(shù)據(jù)見表4。

表4　 101轉(zhuǎn)油站3#摻水泵改造后能耗情況統(tǒng)計(jì)

改造后，3#摻水泵平均單耗為1 kWh/m3，與改造前相比下降了0.18 kWh/m3，節(jié)電率達(dá)15.2%。瞬時(shí)水量維持在120 m3，執(zhí)行器開度為26%，摻水壓力達(dá)1.9 MPa，沒有出現(xiàn)較大波動(dòng)，滿足正常生產(chǎn)需求，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。

3　節(jié)能效果

該項(xiàng)目實(shí)施后，改造泵運(yùn)行平穩(wěn)，聚杏九污水站2號(hào)外輸水泵壓力由改造前的0.6 MPa下降至0.19 MPa，泵壓降低明顯；輸水單耗由0.36 kWh/m3下降至0.104 kWh/m3，執(zhí)行器開度達(dá)90%，節(jié)電率71.1%。101轉(zhuǎn)油站摻水系統(tǒng)節(jié)電率為15%，與聚杏九污水站不同，該站以控制液位來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，而101轉(zhuǎn)油站以控制壓力來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。為使整個(gè)摻水系統(tǒng)達(dá)到平穩(wěn)，壓力必須穩(wěn)定在2.0 MPa，導(dǎo)致泵壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于聚杏九；改造后電流下降25 A，執(zhí)行器的開度僅在26%，節(jié)電率低于聚杏九污水站。

4　技術(shù)分析

4.1技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1）永磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)方式與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)有很大的區(qū)別，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(duì)中、軟啟動(dòng)、減震、調(diào)速等問題，并且大幅度提高了驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)效率。

2）對(duì)于沖擊型負(fù)載可通過滑差實(shí)現(xiàn)緩沖與自動(dòng)保護(hù)功能，且電動(dòng)機(jī)完全在空載下啟動(dòng)，大幅降低啟動(dòng)電流，故障減少。

3）容忍對(duì)心誤差，一般可允許的偏離為0.05 mm甚至更小，需要激光對(duì)心。永磁耦合技術(shù)允許0.75 mm的偏離而且沒有振動(dòng)，可以直接進(jìn)行對(duì)心安裝[1]。

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)，避免了對(duì)電器設(shè)備的損耗，提高了設(shè)備的運(yùn)行效率和壽命，生產(chǎn)中沒有出現(xiàn)故障停機(jī)現(xiàn)象，生產(chǎn)運(yùn)行平穩(wěn)。

5）占地空間小，噪聲小，解決了傳統(tǒng)變頻技術(shù)帶來的噪聲影響。

4.2技術(shù)劣勢(shì)

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2~3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)后安全距離不足，且需要重新做基礎(chǔ)，選擇范圍較窄。

5　結(jié)論

1）從永磁調(diào)速技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果看，該項(xiàng)技術(shù)調(diào)速范圍比較大，可應(yīng)用到污水泵或外輸油泵上，此類泵泵壓較低，流量控制平穩(wěn)，可對(duì)液位平穩(wěn)控制，節(jié)能效果顯著，減少了工作量。

2）轉(zhuǎn)油站摻水泵出口壓力要求較高，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；但摻水量隨季節(jié)和實(shí)際生產(chǎn)需求變化，瞬時(shí)摻水量可出現(xiàn)較大波動(dòng)，嚴(yán)重影響摻水壓力及系統(tǒng)平衡。安裝該裝置后可使系統(tǒng)壓力維持在1個(gè)平穩(wěn)點(diǎn)，滿足各單井的水量和壓力要求。

3）永磁調(diào)速技術(shù)有一定的技術(shù)限制。杏北油田應(yīng)用的永磁調(diào)速技術(shù)采用自然風(fēng)冷降溫措施，由于散熱及轉(zhuǎn)矩等因素影響，還無法應(yīng)用到像注水泵這樣大功率、高負(fù)荷的機(jī)泵設(shè)備上；并且，由于該裝置需要移動(dòng)電動(dòng)機(jī)，造成部分轉(zhuǎn)油站高能耗機(jī)泵無法安裝。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱英.永磁調(diào)速技術(shù)在污水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究，2012（3）：29.

（編輯李珊梅）

收稿日期2015-10-20

作者簡介：張濤，工程師，2005年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院（石油工程專業(yè)），從事給排水設(shè)計(jì)工作，E-mail：93765800@qq.com，地址：黑龍江省大慶市讓胡路區(qū)油田設(shè)計(jì)院給排水室，163000。

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.02.006