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摘 要：随着经济的发展以及“十四五”规划《纲要》提出，要高效开发能源，科学合理使用能源，大力提高能源效率，加快调整和优化经济结构，推进重点领域和关键环节节能，合理控制能源消费总量，以较少的能源消费支撑经济社会较快发展。同时国家工信部2021年印发《电机能效提升计划（2021-2023）》，其中提到加快高效节能电机推广应用，加大高效节能电机应用力度。油气开采作为用电大户，尤其以采油和注水作为主要能耗，而更具体的方面则为电机的能耗。而永磁同步电机的出现，在油田开采中的应用能大力提高能源效率。

关键词：永磁机;油气

技术原理

永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。永磁同步电机的最大特点是它的定子结构与普通电机的结构非常相似，主要区别于转子的独特的结构，在转子上放有高质量的永磁体磁极。永磁同步电动机是由定子绕组、转子插永磁体的相互作用而形成。

电动机静止时，给定子绕组通入三相对称电流，产生定子旋转磁场，转子上放置的永磁体形成转子旋转磁场。定子旋转磁场与转子旋转磁场相互作用产生的异步转矩使转子由静止开始加速转动。由此电机产生旋转扭矩输出。

项目应用场景

场景一：永磁电机在油田井口抽油机的运用

目前油田上大部分使用的是传统驱动系统，即异步电机+皮带传动+减速器等，传统电机末根据负载特性进行针对性的电机设计，造成“大马拉小车”现象，这种现象在油田抽油机井应用则更为突出。带传动装置在过载时，还存在能耗高、采油效率低，调整冲次难度大、抽油机运行效率低，磨损快，寿命短，皮带更换频率高等缺点，使用这种模式的抽油机总效率在国内一般地区平均只有12%～23%，先进地区也不到30%。

目前主要运用的是大电机带动抽油机技术，此项运用属于“大车拉小车”常规使用，该技术面临诸多问题；主要是衡配重与抽油载荷运行不匹配现象存在；电动机匹配不合理、调节方式落后，电动机空载现象严重、功率因数较低，整体系统效率低下，低效电机的大量使用造成巨大的用电浪费；抽油杆下降速度大于电动机转速时存在倒发电现象，增加负荷、浪费电能；降冲次、提高充满度同时，漏失也存在增大可能；冲次调节困难。皮带驱动会给减速机施加一个单边拉力较大，使得减速机轴承及支撑件出现偏磨现象，降低零部件寿命，增加检修及维护工作量。

据统计全国现有抽油机井超过24万台，电机装机容量7000MW ，变压器总容量超过80亿kVA，年耗电105亿kwh，占油田生产总能耗42%，电机功率利用率整体偏低，其中小于30%的占47.38%，30-50%之间占33.83%，50%以上的占18.78%，能耗基数巨大，节能空间非常广阔。

系统结构

针对现有抽油机供排不协调、地面能耗高、系统效率低的缺陷和不足，本系统设计的目的在于提供一种采用环网共直流母线方式，井场变压器输出接入到丛式井组集中控制节能装置内，通过整流将交流转化成直流母线供电，直流母线二次分配能量使电机消耗能量与倒发电能量保持平衡达到了直流母线能量的互馈共享及循环利用的智能抽油机控制装置。

为实现上述目的，采用油田抽油机井太阳能供电无轴永磁柔性控制系统，包括太阳能发电装置、太阳能与市电互补控制柜、无轴永磁柔性控制电机、具有数据采集、远程传输、远程控制等功能软件管理平台，随时远程访问查看实时工况和故障报警主要部件组成。

一般运用有两种模式：

一、“井群环网集控”模式

整流柜、电源切换柜、逆变柜全部集成包装在整流电源切换柜内（800*800*2200），放置在井场空旷处；实际运用通常也分2种：

（1）逆变柜只有变频无工频切换，功率因数在0.96以上；

（2）逆变柜既有变频又有工频切换，工频功率因数在0.4左右；应用时需考虑变压器容量。

特点：

1、丛式井场（4～30口井）

2、多井一柜（4～6口井配1个逆变柜）

3、具备“一变多井”所有性能特点

4、相比“一变多井”，成本更低，施工量更少

二、“一变多井”模式

整流柜和电源切换柜需放在宽*厚*高 （800*800*2200）* 2放置在井场空旷处，每台抽油机处摆放逆变柜（650*600*1300）

实际运用通常也分2种：

（3）逆变柜只有变频无工频切换，功率因数在0.96以上；

（4）逆变柜既有变频又有工频切换，工频功率因数在0.4左右；应用时需考虑变压器容量。

特点：

1、一变多井（3～20口井，单井单柜）

2、油井较为集中（半径≤3km）

3、无需无功补偿，功率因数可达0.99

4、变压器总容量减少80%

5、系统谐波对电网影响小

6、倒发电馈能无法利用

7、无偷电现象，晃电影响小

8、综合节电20%～30%

原理图

应用分析

为了使本项目技术方案及优点更加清楚明白，对本方案进行进一步详细说明。

太阳能供电无轴永磁柔性控制系统，包括太阳能光伏板、光伏并网控制器、抽油机井群环网配电集控柜、传电能互馈逆变柜和永磁电机驱动抽油机。光伏并网控制器位于抽油机井群环网配电集控柜内，太阳能光伏板与其通过电缆固定连接，抽油机井群环网配电集控柜与逆变柜连接，永磁驱动电机与抽油机固定连接。

抽油机井群环网配电集控柜内包括抽机油控制本功能单元（启停、远程/就地）、可通过就地远程旋钮开关选址控制方式实现按钮控制与远程软件控制。变频器逆变键盘控制变频器输出不同参数控制永磁电机，实现抽机油冲次精准控制、人机对话触摸屏通过组态集成方式将太阳能参数（直流计量发电电量、太阳能板输出电压）与变频器实时参数（三相电压输入、电压输出、电流输出、变频频率、功率因素）进行显示，单井直流计量计算太阳能直流转换输出功率，交流总计量表计算电能井场总电能使用功率。。

太阳能汇流单元包括控制电源断路器、熔断保护器、太阳能计量表、DC/DC转换器、二次控制端子、单路控制断路器、启停控制继电器、开关电源、实现太阳能发电计量、抽油机二次回路控制、直流电源电压转换。

电气一次回路单元包括单井直流断路器、AC/DC整流模块、交流计量互感器、电网总断路器、交流备用断路器、太阳能直流断路器、双路单相逆止阀、控制变压器；交流输入电抗器用于平滑滤波，降低电机的噪音和涡流损耗、降低输入高次谐波造成的漏电流降低瞬变电压dv/dt，护变频器内部的功率开关器件，延长电机寿命。直流滤波电抗器用于太阳能叠加在直流电流上的交流分量限定在某一规定值，保持整流电流连续，减小电流脉动值，改善输入功率因数，并可以抑制变流装置产生的谐波。

光伏控制器、DC/DC转换器、制动控制器、变频逆变单元；太阳能板将发电压经DC/DC转换器转换成指定电压输入光伏转换器后并入电网；变频逆变单元将电网交流电转换成永磁电机需求的电参参数，实现节能、调速的目的，同时变频器还有很多的电机保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

在本项目的采用的核心技术包括：

一、倒发电馈能再利用技术

通过油井电控终端装置，完成对抽油井变频调速控制、检测与保护，同时配合响应监控中心指令，完成各种井群协调控制算法和本终端的优化节能控制算法。

二、智能油井组群控技术

采取信息化群控系统，充分发挥直流供电优势，有效扩大集控半径。并集成数据采集、终端控制、视频监控等功能，实现油井远程可视化管控的目的。

三、智能柔性控制技术

通过对供排协调和机-杆-泵受力做功实时分析，采用动态变频控制方式，调整电机转速及柱塞抽汲过程中的速率分布，改善机杆泵设备受力环境，提高泵效，节能降耗。

四、井群冲程位能控制技术

通过分时检测抽油机的当前负载状况，实现抽油机负载的矢量控制及动态跟踪，同时具有调速控制、检测保护功能。

五、抽油机专用逆变器技术

通过专用逆变器实现过压失速控制，避免馈能的集中释放，造成过压烧坏设备、停机等事故，使倒发电能量与电动消耗能量保持平衡，提高直流母线能量的互馈共享和循环利用效率。

六、基于边缘计算的智能优化决策技术

借助于大数据及深度学习算法，实现油井群环网倒发电能的互馈利用和柔性驱动运行的协同决策，即提高了每口抽油机井系统效率，同时实现整个井群整体节能降耗的目标。

此外，利用多年的技术积累，将模块化永磁电机的设计与控制技术，从电气和机械结构两方面进行了完美有机的结合，使得杆泵载荷与电机扭矩同步优化，静动平衡良好匹配，与抽油机的运行特性有机结合，通过系统机电集成系统的快速响应和软件优化控制，做到系统最简约和基本免维护。

场景二：永磁电机在油田注水泵房配套电机的运用

油田作业区注水泵房注水泵配套电机，传统的电机为三相异步电机加皮带轮工作方式，电机冷却方式为风冷，配套控制柜为软启动柜。

传统的电机缺点：

1、注水泵电机无法根据注水需求进行调频。

2、皮带轮传动，增加了额外消耗，结构复杂传动效率低并且存在机械伤人风险。

3、电机冷却方式为风冷，现场工作噪音大，冷却效果不佳。

4、电机为三相异步电机，励磁损耗高，功率因数低，加大了电能损耗。

解决方案

油田注水泵采用直驱永磁同步变频控制系统，包括同步变频控制器、永磁同步电机、循环水冷却系统、过温保护系统、连接电缆及通讯线主要部件组成。同步变频控制器上接市电，下接永磁同步电机，同步变频控制器可实现永磁同步电机柔性启动，在启动时获得较大转矩，一改油田倒换注水泵时的泄压流程，实现带载启动；电机直接安装在泵输入轴，形成整体直驱系统，即一个轮轴就是一个驱动单元，同时电机在运行时保持恒速，只要变频器输出频率不变，电机转速则不变，运行稳定；永磁同步电机自身接进循环水冷却系统，在永磁同步电机工作时，循环水冷却系统对电机进行有效降温，同时同步变频控制器通过信号线采集内置电机本体内的温度信号，对电机本体运行温度进行实时监测，温度异常时自动切断运行。本实用新型的优点：控制系统先进安全、传动系统节能高效、电机本体节能高效。

油田注水泵直驱永磁同步变频控制系统，包括控制柜、永磁同步电机、循环水冷系统、温度采集模块、触摸屏、控制单元、同步变频控制器。

同步变频控制器与温度采集模块位于控制内，市电通过电缆与控制柜固定连接，电机与控制柜采用电缆进行固定连接，永磁同步电机通过温度采集线缆与温度采集模块进行连接。控制柜内包括注水泵控制单元（启停、远程/就地），触摸屏通过组态集成方式将电机与变频器实时参数显示出来并可实现参数输入调频，循环水冷却系统通过高压输水管与永磁同步电机进行连接，实现电机冷却水循环，从而对工作中的电机进行水冷降温。

油田注水泵直驱永磁同步变频控制系统，其特征在于：优化传动结构，更安全，也更节能。减少皮带传动，防止机械伤害，整体运行噪音更小，利于职工身体健康。改变传统电机冷却方式，采用循环水水冷冷却方式，冷却效果更好。

油田注水泵直驱永磁同步变频控制系统，其特征在于：永磁同步电机，恒速，频率不变，转速不变，启动转矩较大，可带载启动，平滑调速。电机内部内置铂电阻温度传感器，与控制柜实现温度闭环监测，监测电机运行温度，高温时自动停止运行，对运行系统进行保护。

经济效益预测

监测的注水泵房注水泵，直驱永磁同步变频电动机节能改造前输送1m3液体消耗的有功功率耗电量7.75kW·h/m3，泵机组效率82.12%，节能改造后输送1m3液体消耗的有功功率耗电量6.77kW·h/m3，泵机组效率95.20%，有功功率节能率12.63%，年节电量为23.4*（7.75-6.77）*24*365=20.09×104kW·h（按照365天运行进行的测算）；根《油气田地面工程技术经济指标手册》，1万度电折合3.34t标准煤，1万度电折合6.671t标准碳。

参考文献：

[1]唐任远.现代永磁电机.2018（03）：4-5.

[2]王秀和.永磁同步电机 基础理论 共性问题与电磁设计.2022（01）：3-8.

[3]李忠实.太阳能分布式光伏发电系统设计施工与运维手册.2022（01）：29-38.