張建（大慶油田有限責(zé)任公司第八采油廠）

永磁電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)與能耗關(guān)系研究

張建（大慶油田有限責(zé)任公司第八采油廠）

隨著外圍油田的不斷開發(fā)，受單井產(chǎn)量的制約，機(jī)采井的能耗問題日益突出，對(duì)油田的高效開發(fā)產(chǎn)生了重要影響。針對(duì)老式電動(dòng)機(jī)存在功率利用率低、機(jī)采能耗增加的問題，采用永磁電動(dòng)機(jī)降低抽油機(jī)井能耗，取得了較好效果。通過對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用效果進(jìn)行跟蹤，分析電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)與能耗之接的關(guān)系，從而提高節(jié)能電動(dòng)機(jī)的效果。

機(jī)采井 永磁電動(dòng)機(jī) 功率因數(shù) 能耗

采油八廠屬大慶外圍低滲透油田，地層條件較差，平均單井產(chǎn)液量低，能耗也相對(duì)較高。統(tǒng)計(jì)采油八廠宋芳屯、升平油田等老區(qū)塊非節(jié)能電動(dòng)機(jī)井 ， 平 均 單 井 噸 液 耗 電 49.8kWh， 系 統(tǒng) 效 率 為9.7%。2005 年以來，隨著產(chǎn)能建設(shè)的應(yīng)用及節(jié)能改造更換，該廠永磁電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大。目前在用永磁電動(dòng)機(jī) 413 臺(tái)，占總井?dāng)?shù)的 19.2%。從現(xiàn)場情況看，永磁電動(dòng)機(jī)應(yīng)用初期節(jié)電率達(dá)到38.0%，節(jié)電效果明顯。

1 永磁電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)現(xiàn)狀

2013年上半年，對(duì)全廠永磁電動(dòng)機(jī)開展功率因數(shù)大調(diào)查，現(xiàn)場共測試 281口抽油機(jī)井，統(tǒng)計(jì)分析251 口 井，平 均 功率因 數(shù) 僅為 0.52， 處于較 低 的水平 （表1）。

表1 抽油機(jī)井永磁電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)大調(diào)查匯總

從歷年節(jié)能監(jiān)測中心監(jiān)測和該廠功率因數(shù)調(diào)查數(shù)據(jù) （表2）看，永磁電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)逐年下降，由 2011 年的 0.66 下降至目前的 0.52。同時(shí)，功率因 數(shù)低于 0.5 的電動(dòng)機(jī)比 例在 不斷 增加，由 2011年 的 28.6%上升 至 目 前 的 50.2%。

表2 歷年永磁電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)監(jiān)測情況

2 永磁電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)與能耗關(guān)系

在交流電路中，電壓與電流之間的相位差?的余弦叫功率因數(shù)，用符號(hào) cos ? 表示；在數(shù)值上等于有功功率P和視在功率S的比值，即cos? =P/S 。

功率因數(shù)反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度，只有把無功功率降到最小，才能將視在功率更多地用來供給有功功率。

2012年未，進(jìn)行了 2臺(tái)功率因數(shù)不同的相同額定功率永磁電動(dòng)機(jī)現(xiàn)場互換試驗(yàn)，結(jié)果表明功率因數(shù)低于 0.6 電動(dòng)機(jī)的單井能耗高于功率因數(shù) 0.9 的電動(dòng)機(jī)，尤其是無功功率。

從互換前后的測試結(jié)果來看，電動(dòng)機(jī)A在升36-36 井的功率因數(shù)為 0.53，換裝到升 37-15 井后為 0.4； 電 動(dòng) 機(jī) B 在 升 37-15 井 的 功 率 因 數(shù) 為 0.95，在升 36-36 井的功率因數(shù)為 0.92 （表3）。

同時(shí)，對(duì)2臺(tái)功率因數(shù)較低的永磁電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了換磁缸試驗(yàn)，換完磁缸后功率因數(shù)明顯提高，綜合節(jié)電率為 6%左右 （表4）。

通過以上分析表明，永磁電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)與能耗有關(guān)系，功率因數(shù)越高，能耗越低，永磁電動(dòng)機(jī)的節(jié)能效果越好。

表3 功率因數(shù)不同的永磁電動(dòng)機(jī)互換前后數(shù)據(jù)

表4 永磁電動(dòng)機(jī)更換磁缸效果

3 永磁電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的影響因素分析

普通異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)主要與負(fù)載率、電壓和電動(dòng)機(jī)本身特性有關(guān)，而永磁電動(dòng)機(jī)則不同。與異步電動(dòng)機(jī)相比，負(fù)載率的變化對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)影響不大。因此，永磁電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)主要與電壓和電動(dòng)機(jī)本身特性有關(guān)。

3.1供電電壓與功率因數(shù)的關(guān)系

每臺(tái)永磁電動(dòng)機(jī)都存在一個(gè)臨界反電勢(shì)，當(dāng)工作電壓高于電動(dòng)機(jī)的臨界反電勢(shì)時(shí)，永磁電動(dòng)機(jī)呈感性負(fù)載運(yùn)行，功率因數(shù)小于 0.9。只有當(dāng)工作電壓小于或等于臨界反電勢(shì) （偏差范圍在 2.5%以內(nèi)）時(shí)，永磁電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)最高。

目前該廠在用永磁電動(dòng)機(jī)的額定電壓即為臨界反電勢(shì)，也就是相電壓在 220V 或 380V 附近時(shí)功率因數(shù)最高，電動(dòng)機(jī)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。

從現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)看，該廠大部分永磁電動(dòng)機(jī)的實(shí)測電壓高于額定電壓，當(dāng)電壓超過額定電壓的5% （即230V或400V）時(shí)，功率因數(shù)較低。

為進(jìn)一步確定電壓變化對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的影響，現(xiàn)場選擇6口井進(jìn)行了調(diào)電壓試驗(yàn)（表5）。

從圖1至圖4可以看出，隨著實(shí)測電壓的增加，功率因數(shù)呈下降趨勢(shì)，尤其是當(dāng)電壓超過230V時(shí)，功率因數(shù)都低于 0.5。

3.2電動(dòng)機(jī)本身特性與功率因數(shù)的關(guān)系

電動(dòng)機(jī)本身特性主要是指永磁體本身性能，而永磁體退磁在永磁電動(dòng)機(jī)中是普遍現(xiàn)象，高溫、振動(dòng)、過載都可能產(chǎn)生退磁，導(dǎo)致功率因數(shù)下降。

表5 永磁電動(dòng)機(jī)的調(diào)電壓試驗(yàn)單井情況

圖1 功率因數(shù)與工作電壓（220V）關(guān)系

圖2 功率因數(shù)與工作電壓（380V）關(guān)系

圖3 功率因數(shù)與電壓（220V）關(guān)系

圖4 功率因數(shù)與電壓（380V）關(guān)系

永磁電動(dòng)機(jī)從最初設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造都是一個(gè)精密復(fù)雜的過程，尤其是永磁體的篩選，必須要求設(shè)備先進(jìn)、檢驗(yàn)裝置齊全、工藝過程全部真空化，否則，很難保證永磁體性能參數(shù)長期高效。例如，在設(shè)計(jì)時(shí)若單純考慮啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，未考慮牽入轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)后可能因牽入轉(zhuǎn)矩小而不能及時(shí)達(dá)到同步，會(huì)劇烈振動(dòng)，造成關(guān)鍵部件的損害，如磁鋼發(fā)生不可逆退磁。

同時(shí)，在現(xiàn)場應(yīng)用過程中，永磁電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)、剎車、故障以及長期在過壓下運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流激增，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)發(fā)熱現(xiàn)象嚴(yán)重，造成永磁體發(fā)生退磁。

前文所述的電動(dòng)機(jī)互換試驗(yàn)及換磁缸試驗(yàn)，說明了該廠部分永磁電動(dòng)機(jī)存在退磁現(xiàn)象，導(dǎo)致功率因數(shù)下降。

綜合上述分析，對(duì)功率因數(shù)低于 0.5 且實(shí)測電壓不超過額定電壓5%的永磁電動(dòng)機(jī)，可認(rèn)為其功率因數(shù)低的原因是永磁體退磁，在目前統(tǒng)計(jì)分析的251口抽油機(jī)井中共有48口。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）永磁電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)與能耗有關(guān)系，功率因數(shù)越高越好，目前部分在用永磁電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)水平較低，無法充分發(fā)揮其節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

2）全廠大部分永磁電動(dòng)機(jī)的實(shí)測電壓高于其額定電壓，隨著電壓的增大，功率因數(shù)呈下降趨勢(shì)，特別是當(dāng)實(shí)測電壓超過額定電壓的5%時(shí)，功率因數(shù)較低。

3）永磁體退磁會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)下降，建議對(duì)48 口井功率因數(shù)低于 0.5 且實(shí)測電壓不超過額定工作電壓5%的永磁電動(dòng)機(jī)進(jìn)行充磁治理。

[1]陳濤平,胡靖邦.石油工程[M].北京:石油工業(yè)出版社, 2002（2）:220-236.

[2]徐國民,孫慧峰.抽油機(jī)井節(jié)能設(shè)備優(yōu)化配置研究[J].節(jié) 能 技 術(shù),2001,19（2）:4-9.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.010.004

2013-07-15）

張建，工程師，2002年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院（石油工程專 業(yè)）， 從 事 機(jī) 采 管 理 工 作 ， E-mail:zjcy8@petrochina.com.cn， 地址：黑龍江省大慶油田有限責(zé)任公司第八采油廠工程技術(shù)大隊(duì)，163514。