高寶元（中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院）

叢式抽油機井組無功動態(tài)補償計算與應(yīng)用*

高寶元（中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院）

針對長慶油田叢式抽油井組大部分負載端功率因數(shù)在0.4左右，電能浪費情況十分嚴重，通過抽油機井組負載端無功動態(tài)補償計算，應(yīng)用無功動態(tài)補償裝置，使叢式抽油機井組負載端的功率因數(shù)由0.4左右提高到0.9以上，大幅度降低了抽油機電動機的無功損耗、有功線損和電網(wǎng)運行電流。這一技術(shù)應(yīng)用在長慶油田數(shù)以千計叢式抽油機井組上將會取得良好的節(jié)電效果，從而節(jié)約采油廠原油生產(chǎn)成本。

抽油機井組無功動態(tài)補償計算應(yīng)用

引言

長慶油田采取叢式抽油機井組進行抽油，抽油機電動機的選配通常是根據(jù)相應(yīng)額定載荷來確定，除考慮到正常啟動電動機轉(zhuǎn)矩外，還須考慮碰泵、打驢頭等常規(guī)性電動機額外轉(zhuǎn)矩的需求，電動機必須留出一定的功率富余量。這樣抽油機正常工作時處于低負荷工況，導(dǎo)致電動機功率因數(shù)低下；另外，由于抽油機拖動電動機的負荷隨著原油物性和井筒及井下狀態(tài)的變化而變化，致使電動機有功功率和無功功率隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致電動機的功率因數(shù)頻繁變動。

為了提高電動機功率因數(shù)，通常只是簡單地在抽油機的電控箱中安裝相應(yīng)定值電容器來對無功功率進行補償，由于這種方式對抽油機特殊負載并不完全適用，使定值補償電容器極易損壞，無功功率補償達不到理想效果，造成電動機功率因數(shù)依然低下，電能損耗較大。針對這種生產(chǎn)現(xiàn)狀，通過合理的叢式抽油機井組無功動態(tài)補償計算，應(yīng)用無功動態(tài)補償裝置，在叢式抽油機井組負載端進行無功功率動態(tài)補償，解決了抽油機井組功率因數(shù)低、無功損耗過大的問題。

1 無功動態(tài)補償

1.1補償原理

1.2無功動態(tài)補償?shù)牟蓸臃椒把a償量的確定

通過電壓和電流變送器，任取某一時刻的電壓、電流信號作為一組數(shù)據(jù)，將無功功率檢測出來，這樣取出若干組數(shù)據(jù)，計算出若干組無功數(shù)值以求達到cos ?值。設(shè)定狀態(tài)的電網(wǎng)無功功率為QO，當(dāng)電動機的QL＞QO時，測得的無功變化量ΔQ=QL-QO，再結(jié)合數(shù)字濾波技術(shù)和PLC控制器，把電動機無功補償量值QD準(zhǔn)確快速地檢測出來。這樣既避免了隨機干擾又避免了檢測功率因數(shù)不準(zhǔn)確所帶來的誤差。當(dāng)QD-ΔQ=0時，即達到動態(tài)補償平衡狀態(tài)，確保了cos ?等于設(shè)定值。

圖1 無功功率動態(tài)補償確定量方框圖

第三路共補容量配置：Δ補=12kvar-0.45kV×1組；

第四路共補容量配置：Δ補=15kvar-0.45kV×1組；

第五路共補容量配置：Δ補=20kvar-0.45kV×1組；

第六路共補容量配置：Δ補=35kvar-0.45kV×1組。

無功動態(tài)補償裝置電接線圖見圖2。

圖2 無功動態(tài)補償裝置電接線圖

1.3無功動態(tài)補償容量的計算

PLC控制器把當(dāng)前的功率因數(shù)與設(shè)定功率因數(shù)的上、下限進行比較，并計算出電網(wǎng)中的無功負荷，以分補與共補相結(jié)合，按“取平補齊”的原則進行邏輯判斷，并連續(xù)不斷地檢測線路的無功功率情況，以線路無功功率作為控制物理量，根據(jù)叢式抽油機井組負載端設(shè)定的功率因數(shù)上、下限來處理這些物理量，并發(fā)出控制信號來觸發(fā)高頻度功率模塊的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制投、切電容器的組數(shù)及投、切電容器的容量，達到對無功功率的自動動態(tài)補償，使電網(wǎng)功率因數(shù)始終處于良好的工況狀態(tài)。

長慶油田叢式抽油機井組供電變壓器的容量通常為160 kVA或180 kVA。在此，以180 kVA變壓器作為補償對象來確定補償電容的基本容量數(shù)。通常叢式抽油井組變壓器負載側(cè)平均功率因數(shù)在0.4左右，補償后功率因數(shù)達到0.9以上，理論上需補償電容量為90 kvar。根據(jù)電容選取系數(shù)k=1.2（k=1.1～1.5），則理論配置容量的取值為108 kvar。

考慮到各電動機負載往往存在不平衡的情況，將單元電容器組采用共補與分補“Δ－Y”相結(jié)合的接線方式。實現(xiàn)電容補償?shù)娜喙惭a與分補的統(tǒng)一。按“取平補齊”原則，由PLC控制器計算出每相所需補償容量，減去共補容量，剩余部分作為分補時每相的補償容量。共補方式接成“Δ”型式，分補部分投、切單元的電容器組接成“Y”型式。

根據(jù)叢式采油井組負載側(cè)的工況特征，對180 kVA變壓器供電的抽油機井組無功功率動態(tài)補償容量分級，為確保動態(tài)補償后的功率因數(shù)達到設(shè)計要求，將108 kvar電容總量分為六路，其中：分補（Y補）一路，共補（Δ補）五路。具體分配如下:

第一路分補容量配置：Y補=6kvar-0.25kV×3組；

第二路共補容量配置：Δ補=8kvar-0.45kV×1組；

2 無功動態(tài)補償裝置應(yīng)用效益計算

2013年9月在長慶油田第三采油廠吳30-8井組安裝一臺抽油機井組無功動態(tài)補償裝置，井場有8臺抽油機，總功率為148 kW，叢式抽油機井組供電變壓器的容量為180 kVA。

2.1綜合節(jié)電和節(jié)電率計算

叢式抽油機井組輸入功率由抽油機系統(tǒng)效率測試儀直接讀出，見表1。

表1 無功動態(tài)補償投、切狀態(tài)節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算[1]

依據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5264—2012《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》和SY/T 6422—2008《石油企業(yè)節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定》進行測試和評定。根據(jù)表1計算如下：

綜合節(jié)電[2]：綜合節(jié)電=無功折合+有功節(jié)約=（64.1×0.09）kW-1.0 kW=4.8 kW，其中：0.09為無功經(jīng)濟當(dāng)量（kW/kvar），那么日綜合節(jié)電量為4.8 kW×24 h=115.2 kWh。

經(jīng)計算綜合節(jié)電率[2]為18.43%。

以電費0.8元/kWh計算[5]，每井組有效工作時間按360天計算，吳30-8井組應(yīng)用無功動態(tài)補償裝置每年可節(jié)約電費33 177元。

2.2供電系統(tǒng)負載側(cè)能耗分析[1-4]

電動機功率因數(shù)的提高，能減少線路損耗及變壓器的銅損。設(shè)ΔP1為原線路損耗，ΔP2為功率因數(shù)提高后線路損耗，則無功動態(tài)補償裝置安裝前后線路損耗差為ΔP=ΔP1-ΔP2=3R（I12-I2

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，動態(tài)補償投入前、后的功率因數(shù)（平均值）為：投入前cos ?1=0.34，投入后cos ?2= 0.97。由式ΔP2/ΔP1≈(cos ?1/cos ?2)2得出無功動態(tài)補償投入后，電網(wǎng)銅損降低率為87.7%。

以上效益僅為直接效益，對叢式抽油機井組而言，由于低壓側(cè)損耗的降低而折合到高壓側(cè)的損耗降低沒有計算在內(nèi)。由此可以看出，通過叢式抽油井組負載側(cè)無功功率進行動態(tài)補償計算與應(yīng)用，對油田叢式抽油井組開發(fā)而言，有著積極的作用和顯著的節(jié)能效果。

3 結(jié)語

叢式抽油機井組無功動態(tài)補償裝置，無觸點自動補償動態(tài)響應(yīng)快，工作可靠。大幅度提高了負載側(cè)的功率因數(shù)，有效降低了電網(wǎng)無功損耗。長慶油田的新老叢式抽油機井組有數(shù)千個，并且每年還在增加新的井組。所以，如果無功動態(tài)補償裝置在采油領(lǐng)域推廣應(yīng)用，將會取得顯著的經(jīng)濟效益。

[1]吉效科.石油設(shè)備節(jié)能技術(shù)[M].北京:中國石化出版社, 2011:235-247.

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[3]宗鐵,雍自強.油田企業(yè)節(jié)能技術(shù)與實例分析[M].北京:中國石化出版社,2010:159-165.

[4]穆劍.油氣田節(jié)能監(jiān)測[M].北京:石油工業(yè)出版社, 2013:156-161.

10.3969/j.issn.2095-1493.2014.012.003

2014-09-26）

高寶元，2008年畢業(yè)于西安交通大學(xué)（電氣工程及自動化專業(yè)），從事石油自動化儀器儀表研究工作，E-mail：gcy_gby@ 126.com，地址：陜西省西安市未央路151號長慶興隆園小區(qū)老中學(xué)辦公樓，710018。

中國石油集團川慶鉆探工程公司基金資助項目（CQ2014B-11-2-3）。