先进变频器增强螺杆泵顶驱电机性能

像其他许多商品一样，石油价格具有周期性，在供应短缺和供过于求时会发生波动。在价格剧烈波动时期，全球普遍认为，石油价格是朝着有利的方向变化，现有的市场形态不再有效。

尽管全球石油供应链面临复杂的政治和技术因素，历史表明，异常剧烈的市场价格最终会趋于稳定，并且随着时间的流逝，市场会按照既定的周期起起落落。

石油开采企业努力严格控制自身成本。初期成本较高但长期运营成本较低的设备很难卖出。特别是在价格走低时期更是如此，因为企业由于担心影响短期利润不愿意增加资本支出。

加拿大阿尔伯特省卡尔加里的General Magnetic （GM）公司试图打破这一局面。成立于2008年的这家公司成功开发出一款85马力的大型永磁螺杆泵顶驱电机（MagnoDrive），目前该产品已得到初步的市场认可，并在加拿大西部的油田得以应用。

螺杆泵通常采用传统的感应电机通过减速设备驱动顶置的传动，从而获得动力。最近，由GM和其他少数几家制造商开发生产的永磁电机驱动装置，已被先进的油田运营企业采用。虽然MagnoDrive的购置成本较高，但却消耗较少的电力，这样在其生命周期内可以尽早地收回购机成本。

鉴于 MagnoDrive的积极效益，从1989年至2001年担任卡尔加里市长，GM的创始人兼首席执行官Al Duerr提出了这样一个问题：“石油行业面临的挑战是如何将经济驱动的趋向由短期想法转变为长期的价值定位。如果我们能够将用电量降低10%，运营成本将会怎样？这对利润有何影响？”

GM创始人兼首席执行官Al Duerr讲述新开发的 MagnoDrive将为能源行业带来哪些利益。

螺杆泵和其他类型的泵机

螺杆泵是用来将石油从地下抽出的三大类泵之一，另外两类分别是很好识别的抽油机，也就是像马头似的 “磕头机”，另外一类是电动潜油泵（ESP），在野外远不像“磕头机”那样扎眼。

螺杆泵的工作原理是随着泵杆转动通过一系列固定形状的小型空腔从地下抽取石油。螺杆泵的成本较低，流量居中；抽油机的成本居中；电动潜油泵的成本和流量都较高。

除节省能源和降低温室气体排放外，采用MagnoDrive驱动的螺杆泵还具备其他环境和拥有成本优势。

这种先进的电机的直接驱动操作，无需配备传统的PCP顶驱所需的维护任务，高维护液压设备、机械制动设备和减速装置（包括齿轮箱、皮带和滑轮）。避免使用这些外部活动部件可大大减轻MagnoDrive的常规维护任务，这样，在需要进行维护时，它对现场操作人员和维护人员而言更加安全，而且在现场操作时更加安静。

GM公司工程开发副总裁Aaron Brassard 表示：“我之所以加入 General Magnetic公司，是因为它希望做出更好的产品。就螺杆泵而言，先有传统的设备，然后是我们的设备。作为社会的一员，吸引我的是为社会尽绵薄之力，改善我们的环境当然最好还可以降低运营成本的机会。我从来都认为，我们可以同时实现两个目标。”

Duerr补充说：“能源行业需要适应新的游戏规则，令我激动不已的是， General Magnetic能够对能源企业的利润产生长期的积极影响，同时减轻他们的环境影响。对从地下开采石油的能源公司来说，用电是最大的单项运营成本项目。”

在整个速度范围内达到最大扭矩

MagnoDrive永磁顶驱电机相比传统的螺杆泵驱动的主要运营优势在于，在整个速度范围内均可调节速度和转矩，能够在30RPM和450RPM之间以大体相等的效率而且可以以最大扭矩运行。

绝大多数PCP驱动采用交流感应电机。只有在额定速度的70%至110%范围内，它们才具备较高的效率，但超过这个范围时，则存在重大挑战。相比感应电机而言，永磁电机能够提供更大的扭矩，从而提高工作效率。

驱动MagnoDrive电机在其运行参数范围内以任何速度和扭矩运行的设备是一台变频器。通常变频器经过编程，可控制各种可能的工况，提供先进的控制功能，判定何时启停电机、在不同负载下电机应以何种速度运转、在任何扭矩限度内电机如何最高效地运行。

在发生局部限制用电或大停电情况时，变频器对于电机控制取决于业主的对策，可以在无需操作人员干预的情况下，在供电恢复正常后自动重启电机。

相比常规电机而言，MagnoDrive可节省大量能源，对于油田企业而言，它可以节省10%的用电成本（单项最大运营成本）。

选择正确的变频器

并不是所有变频器都是一样的，有些应用的要求更加苛刻。针对特定应用选择最好的品牌和型号极端重要。

在MagnoDrive的开发阶段，General Magnetic在对最初选定的变频器进行现场试验时发现了一个问题。

Brassard 指出：“之前，我们选用了一家领先制造商的变频器，但遇到一些调节问题。我们的现场试验人员发现，当速度为70-150RPM时，MagnoDrive不能很好地运行。它会出现奇怪的震动，变得不太稳定，变频器失去控制作用。”

“特别是在电机低速运转时这个问题更加明显，也就是转速在100至150RPM之间时，这个速度范围也是PCP操作者通常选择的范围。如果系统在这个速度下不能很好地工作，这会是一个很大的问题。 ”

ABB变频器

为了寻找更好与MagnoDrive和PCP应用匹配的变频器，GM联系了ABB，咨询ABB最近开发的一款变频器。

加拿大一位ABB低压传动技术支持代表Glen Wilson说：“在General Magnetic通过网络查询表明对我们的变频器有兴趣，然后询问我们可以为永磁PCP电机提供哪种变频器之后，我们与该公司建立了合作。”

“我们进行了一些考察和研究，2014年初，我们提出了一个演示方案，现场测试我们的变频器的性能和竞争对手比较，看看我们的变频器是否具备GM所要求的性能。”

Wilson和ABB团队与GM合作，明确了最适合PCP应用的MagnoDrive的变频器。不久以后，一台 ACS880变频器被运往现场进行试验。

Brassard 指出：“变频器运抵现场的当天下午，我们在各种速度和转矩下对其进行测试。它的调节非常容易，事实上，从一开始，它就基本上表现完美。因此，它正是我们要找的产品。它的使用非常轻松简单。”

“于是我们开始改用ACS880。现场试验表明，ABB的变频器不存在转速调节问题。我们已在8到12套系统中采用这种变频器，至今现场试验人员没有报告任何问题。”

借助MagnoDrive和适当的变频器，可在电机的整个速度范围内保持最大扭矩。

出色的产品支持

在变频器测试评估期间和之后的阶段，ABB设在加拿大阿尔伯特的技术团队的支持与ACS800的性能同样重要。

Duerr指出：“ABB变频器对我们而言是一个很棒的产品，也是与我们的技术配套使用的早期变频器之一。我们试过多种变频器，显然ABB产品是我们试过的最好的变频器之一。我认为，来自ABB的大力支持同样十分重要。他们非常敬业，我们是一家小型开发者和制造商，对ABB作为一家特大型企业把握最新技术发展态势的能力十分钦佩。”

“我们能够将ABB技术支持的利益带给我们的客户。凭借我们对该产品及其功能的全面了解，我们可以为客户提供一个更加强健耐用的产品打包方案。当我们开始更深入地了解现场应用问题后，我们认识到，拥有一个出色的传动系统和电机同样重要。”

光明的未来

如今，GM的MagnoDrive已在加拿大阿尔伯特和萨斯喀彻温、美国加州和印度尼西亚等地的油田得以应用。公司目前正在美国、南美和中东推广这个产品。鉴于这种电机的节能优势，美国加州等能源成本相对较高的地方，推广MagnoDrive的可行性更大。由于环境条件极端恶劣导致维护成本居高不下的地方，也是MagnoDrive的理想市场。

GM的新业务大约一半来自于新建油井，另外一半是现有油井传统的PCP驱动电机的更新换代。

通常情况下，客户之所以要更新换代，是因为他们遇到了维护问题，譬如皮带磨损过快，或者电力公司限制设备使用电能。譬如，假设设备功率限制为100千瓦，那么具备出色能效的MagnoDrive可以在消耗同样电能的情况下，从地下采出更多石油。

在新建油井上选装MagnoDrive的客户，仅仅依靠一套满负荷运行的85马力系统所节省的电能，就能在3-5年时间里收回整个系统的成本。举例来说，假设客户安装一套满负荷运行的85马力系统，假设电价为每度14美分，那么客户使用传统的PCP电机与MagnoDrive的运行成本将相差一年多的花费。

MagnoDrive的设计工作寿命超过10年时间，很容易地从一个油井移动至另一个油井。

谈到MagnoDrive的未来发展前景，Duerr总结道，“我们已发现业内对我们的产品的兴趣日益浓厚，因为操作人员、现场工程师和一线人员已经发现，我们的永磁电机和变频器可以让他们采用以往根本不可能的方式做事，创造机会和管理复杂的油井。加上节省电费，也就是石油开采最大的单相运营成本，我们非常看好MagnoDrive的未来前景。”

Brassard补充说：“我们对变频器没有偏好，希望让客户自由选择任何制造商的变频器。尽管如此，我本人非常喜欢ABB的ACS880。如果要我做出选择，我会使用这种变频器。它是一种很棒的变频器。”

加拿大西部油田已安装了无数的 MagnoDrive螺杆泵顶驱电机。

链接及文件下载

下载本案例