半潛平臺高效電機節能改造探索

袁 圓

（中海石油（中國）有限公司海南分公司，?？?570100）

全球氣候變化深刻影響著人類的生存與發展，是各國共同面臨的重大挑戰。持續推進節能減排是應對氣候變化的關鍵，其中工業是節能減排的重點領域。電機既是工業領域最廣泛的配套驅動設備，也是“耗能大戶”，深海油氣生產半潛平臺超80%的用電負荷為電機。

高效率電機出現于20 世紀70 年代第一次能源危機期間，其損耗與一般電動機相比下降約20%。由于能源供應的持續緊張，近年來又出現了超高效率電機，其損耗比高效率電機又下降15%～20%。這些電機的功率等級與安裝尺寸關系，其他性能要求則與一般電動機相同。

目前，世界上已有十余個國家和地區發布了電動機能效標準，主要有美國、歐盟、澳大利亞和中國等。我國新版強制性標準《電動機能效限定值及能效等級》（GB 18613—2020）已于2021 年6 月1 日起正式實施。此標準實施后，IE3 效率（三級能效）將成為我國最低的三相異步電動機能效限定值，新國標還將IE4 效率列為二級能效節能評價值指標，將IE5 效率列為最高的一級能效等級指標。相較于GB 18613—2012，GB18613—2020 對電機能效限定值的要求提升幅度較大，限定的功率范圍也更廣。另外，新版標準還增加了8 極三相異步電動機能效等級。

1 某半潛油氣生產平臺電機現狀

某深水半潛油氣生產平臺由上部組塊和船體兩大部分組成。上部組塊設置有油氣生產處理設施和生活辦公模塊，船體主要實現整個半潛平臺的系泊、調載等功能，并擁有多個艙室用于儲存凝析油、淡水等。該半潛平臺上的電機主要為防爆型高效電機，總數超100 臺，總功率超26 500 kW，如表1 所示。

表1 半潛平臺防爆電機統計 單位：臺

上部組塊的電機用于驅動離心泵、柱塞泵、齒輪泵等泵類和各類風機，以滿足平臺油氣生產的工藝需要。例如，平臺的三甘醇再生系統配備了3 套三甘醇循環泵，分別由3 臺37 kW 的三相異步電機驅動。平臺的三甘醇主要用于天然氣脫水處理，三甘醇再生系統用于脫水后的三甘醇富液再生，三甘醇循環泵的功能為循環使用三甘醇增壓去三甘醇脫水系統。如果這3 臺電機出現故障，則整個三甘醇脫水系統將關停，故電機在平臺整個生產系統中非常重要。船體的電機主要用于錨機、電梯、艙室泵類等的驅動，以滿足船體系泊、調載的需求。船體的電機故障也將影響半潛平臺的系泊和調載，進而影響整個半潛平臺的安全。該平臺上的電機主要有國產的YBX3 系列、進口的M3JP 系列等，這些電機具有高效、節能、可靠性高、防爆結構先進、適用范圍廣、維護方便等優點，能廣泛應用于各類防爆場合，也適用于船用電機。這些電機本身為高效電機，但由于設計建造在新標準實施之前，多數仍未能達到新標準的能效要求。此外，平臺上的部分電機運用了一些節能技術，如電動吊機、船體錨機電機等采用軟啟動，應急海水提升泵、冷卻水循環泵等加裝了變頻器等，在節能上有一定成效，但總體來說，與國家新版電機能效標準仍有一定差距。

為了評價平臺電機節能性，取其中連續工作制的20 類設備共46 臺電機與新能效標準進行對比。結果顯示，接近80%的電機（39 臺）未能滿足新的能效指標要求，其中與標準效率值相差最大的達到11.9%，最小的為0.2%，普遍在5%～7%。功率大于等于30 kW的電機共有22 臺，除了三甘醇泵的3 臺電機外，其余的效率與新標準差值都大于4%，最高達到9%。如果平臺上的電機均能滿足國家新版能效標準，則平臺在節能減排上將取得更大成效。

為確認平臺現在電機效率與新標準之間的節能差距，以一滑油泵電機為例進行計算，該電機功率37 kW，效率為88%，若更換為滿足新標準的高效電機，效率最低要達到93.7%。節約電能的計算公式為

式中：η1為原電機效率；η2為新標準的高效電機效率；P為電機功率；t為運行時間；n為負荷率，取75%[1]。該滑油泵電機除去停產大修等特殊時間，一年運行時間約為8 640 h，計算得到全年節約電能約16 500 kW·h。

由此可見，若該半潛平臺的電機更換為新標準下的高效電機，帶來的節能效果將非常明顯。新版電機能效標準已經執行2 年多，相應的高效電機產業已非常成熟。在船用高效電機領域發展沒有普通防爆高效電機那么迅速，但半潛平臺實際環境運用普通防爆高效電機已能滿足要求，故訂購高效電機逐步更換氣田原電機能起到一定的節能減排效果，并且滿足國家對電機能效新標準的要求。

2 半潛平臺電機節能改造探索

直接更換符合新標準的高效電機能滿足國家電機新能效標準要求。結合平臺2 年多的生產經驗，新設計的高效電機在可靠性、與工藝生產要求匹配度上也更高。該半潛平臺剛投產2 年，設備較新，從經濟性、性價比上考慮，還可采用多種方式對電機進行節能改造，從而提高電機運行效率，達到新能效標準要求。以下對各電機節能技術進行分析，并結合半潛平臺實際情況提出改造建議。

2.1 電機變頻調速節能技術

目前，變頻調速技術是最常用的電機節能技術，它根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系，通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。該項技術已非常成熟，且實施起來非常簡單，通常只需在電機的啟動控制電路中加一個變頻器。在該半潛平臺上，冷卻水循環泵、應急海水提升泵便應用了該技術。電機變頻調速技術能按照電機負載進行自動且平滑的增速、減速工作，通過電動機供電電源頻率的改變，實現有效調節，從而大幅度提高工作效率，由此取得節能效果[2]。一般來講，該技術的節電率在10%～50%，與超高效電機35%左右的節電率不相上下。其缺點主要是變頻器的成本較高，使用時會產生諧波影響電網，可能會造成電機、電纜的額外發熱等，更多時候用于流體負載，且當負載變化較小時節電率較低?？紤]到平臺電機、風機的實際情況以及經濟性等因素，該技術只能用于軟水泵、部分滑油泵等少數電機，才能取得明顯的節能減排效果，不易做大范圍的改造。

2.2 電機變極調速節能技術

變極調速也是一種較為成熟的電機控制技術，它通過改變異步電機定子繞組的極對數達到調速的目的。該技術的節電率一般在20%以上，缺點在于其為有級調速，極差較大，只能設定幾個固定的轉速，不能獲得平滑調速。需要改造時，一般要更換電機，而電機需要設計多套繞組，并設置切換裝置來達到可改變極數的目的。該技術主要應用于需要定量調節、但無須頻繁調節流量的場所，在平臺適用范圍有限。直接更換高效電機，改造費用過高，且節能效果無優勢，顯然不適合平臺生產工藝流程上的電機節能改造，可考慮運用該技術[3]。例如，在夏冬兩個季節需要對風量進行調節，且調速的精度要求不高，可采用該節能技術進行改造。

2.3 電機調壓節能技術

電機調壓節能技術是通過檢測電機的電壓與電流相位差實時調節電壓，使電機輸出功率與實時負載精確匹配，以有效降低電機的損耗。此技術的優點是能對電機轉速進行精準設定，并能有效調整電機的工作狀態。缺點是技術較為復雜，對電源質量要求較高，且會產生電網諧波污染。該技術一般應用于負荷率較低、功率因數較低、負載變化較大且速度恒定的設備，如機床、輸送帶等，綜合節電率僅可提高2%～5%。對于半潛平臺上的設備，適用性不高且節能效果不明顯，綜合考慮不推薦此節能技術。

2.4 電機降容或增容增效改造

電機增容或降容增效改造技術是按實際運行工況、容量需求重新設計制造，減小或增加電動機容量，使之按需輸出，達到節能目的，綜合節電率可達15%[4]。該技術可應用于平臺生產工況發生變化后，一些泵或電機負荷對應發生變化，即可對其進行相應降容增容改造，達到提效節能的目的。平臺投產運營2 年多，整體生產工況和設計不匹配，該技術暫不適用。

2.5 其他電機節能改造技術

常見的電機節能技術還有無刷調速異步電機技術、功率因數補償技術、電機運行系統優化技術等，這些技術節電率均不高[5]，一般在10%以下，且改造涉及范圍較大，費用較高。例如：無刷調速異步電機是由兩套不同極對數的定子繞組和一套繞線轉子繞組構成的新型交流感應電動機，運用此技術需要更換電機；功率因數補償法和運行系統優化涉及整個半潛平臺配電的改造，性價比較低。因此，這些改造技術均不適用于目前半潛平臺電機的節能改造，可以在新設計的平臺上考慮運用。

電機在使用過程中，表面不可避免會積累灰塵和污垢，旋轉設備軸承等也難免出現磨損，這些因素都會影響電機的能效。加強電機的清潔和維護可最大限度發揮電機的性能，從而提高電機能效。半潛平臺上有部分電機的效率非常接近國家電機新能效標準要求，由于平臺剛投產2 年，對于該部分電機，從經濟性上考慮不宜立即更換或采用節能改造技術。從清潔度、運行環境等角度制定更嚴格的維保標準，加強清潔和保養工作，消除任何影響性能發揮的因素，提高其能效，以達到新標準的要求。

3 結語

為了達成“雙碳”目標，我國用能設備必然會朝著綠色、低碳、節能、環保方向發展，國家新版強制性標準《電動機能效限定值及能效等級》（GB 18613—2020）正式實施更是對工業生產的電機應用提出直接要求。某深水半潛平臺上共有各類電機超100 臺，由于平臺在國家電機新能效標準要求執行前設計建造，有近80%的電機未能滿足新能效標準要求。結合平臺電機的實際情況，可采用直接購置滿足新能效標準要求的高效電機替換、加裝變頻器、變極調速等多種方式進行改造以提升能效，從而達到國家新版電機能效標準要求。此外，可通過完善電機維保制度，加強對原有高效電機的維保，提高電機保養標準，充分發揮原有電機性能，直接提升電機運行效能。后期還可結合生產工況的變化，對相應的電機進行適應生產工況的減容增容改造，達到提效節能的目的。由于油氣生產安全為首要因素，電機節能改造還要充分考慮改造后電機運行的安全、平穩、可靠。