高尤（中國石油化工集團華東分公司）

智能無功補償技術(shù)在蘇北油田的應(yīng)用

高尤（中國石油化工集團華東分公司）

抽油機電動機在實際運行中負載率和系統(tǒng)效率不高，致使供配電系統(tǒng)功率因數(shù)偏低，增加了內(nèi)部低壓電網(wǎng)線路損耗。目前普遍采用的補償方式是對單臺抽油機終端進行固定電容式無功補償，這種補償方式補償效果較差。智能無功補償技術(shù)根據(jù)無功功率需求量來決定電容的補償量，有效解決了電容容量與抽油機電動機運行工況不適應(yīng)的問題。該技術(shù)在采油廠的試驗應(yīng)用驗證了其具有很好的節(jié)能效果，有著廣闊的發(fā)展前景。

抽油機電動機線路損耗無功補償

在華東分公司采油廠的原油生產(chǎn)中，機械采油的電力消耗是最主要的能耗之一，根據(jù)報表數(shù)據(jù)，抽油機負荷[1]約占生產(chǎn)用電負荷的50%以上，由于抽油機電動機的運行與負載的變化很難處于最佳配置中，使得抽油機電動機在實際運行中負載率低下，致使整個油區(qū)低壓配電系統(tǒng)的功率因數(shù)偏低，電網(wǎng)損耗加大。為提高系統(tǒng)功率因數(shù)，華東分公司采油廠抽油機配電柜采用了觸點式固定電容無功補償裝置，但在實際運行中由于電容容量固定，欠補償現(xiàn)象較為普遍，補償效果較差，因此研究新技術(shù)克服這種缺陷是油田企業(yè)的熱點問題。

1 無功補償技術(shù)

1.1無功補償?shù)幕驹?/p>

電網(wǎng)中的電力負荷如電動機、變壓器等，大部分屬于感性負荷，在運行過程中需向這些設(shè)備提供相應(yīng)的無功功率。無功補償是指在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器等無功補償設(shè)備，提供感性負載所消耗的無功功率，減少電網(wǎng)電源向感性負荷提供由線路輸送的無功功率，由于減少了無功功率在電網(wǎng)中的流動，從而可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗[2]。

在實際的電力系統(tǒng)中，大部分負載為電動機。包括異步電動機在內(nèi)的絕大部分電器設(shè)備的等效電路可以看作電阻R與電感L串聯(lián)的電路，其功率因數(shù)為：

式中，XL=ωL。給R、L電路并聯(lián)接入電容C以后，等效電路如圖1a所示。該電路的電流方程為：

由圖1b的向量圖可知，并聯(lián)電容后電壓U與I的相位差變小了，即供電回路的功率因數(shù)提高了。

圖1 并聯(lián)電容器補償無功功率的電路和向量圖

1.2功率因數(shù)與功率損耗的關(guān)系

抽油機負荷是變化極大的連續(xù)周期性負荷，抽油機在一個沖程內(nèi)有兩個死點，抽油機停車后再啟動時，一般是從兩個死點中負載較大的死點開始啟動，因此要求抽油機電動機具有較大的啟動轉(zhuǎn)矩。抽油機負載特點決定選擇電動機時，必須按最大扭矩選配電動機，這無疑加劇了“大馬拉小車”現(xiàn)象，使得電動機長期在低負荷下運行，電動機負載率低又嚴重影響電動機的運行效率。在這種情況下，機采系統(tǒng)的平均功率因數(shù)水平較低，網(wǎng)損相當嚴重。

抽油機在下沖程接近下死點的過程中，由于重力作用、慣性影響，抽油機負載會拖動電動機的轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)，并使其轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速，電機的轉(zhuǎn)差率變?yōu)樨撝?，此時，電動機已不再向外輸出機械功率，而是將機械能轉(zhuǎn)化成電能，成為了“發(fā)電機”。由于電動機在抽油機負載的拖動下轉(zhuǎn)速不定，其所發(fā)電的頻率和相位都不能達到電網(wǎng)要求，從而會“污染”電網(wǎng)，造成電網(wǎng)供電不穩(wěn)定，又會對電動機的正常運轉(zhuǎn)產(chǎn)生不良影響。

根據(jù)資料統(tǒng)計[3]，循環(huán)在工礦企業(yè)配電網(wǎng)中的無功功率相當于有功功率值的65%以上，由此造成的損耗極為可觀。有功負載一定，在功率因數(shù)下降以后，由無功功率引起的功率損耗變化曲線見圖2。

圖2 功率損耗變化曲線

從圖2中可見，有功損耗是以功率因數(shù)為1時的損耗基值來表示的。當功率因數(shù)從1降到0.8時，有功損耗增加不大；當降到0.6時，有功損耗接近功率因數(shù)為1時有功損耗的3倍；當降到0.5時，有功損耗接近功率因數(shù)為1時有功損耗的4倍；當降到0.4時，有功損耗接近功率因數(shù)為1時有功損耗的6倍以上。

2012年4月中石化節(jié)能監(jiān)測中心對華東分公司采油廠的73口油井進行了機采系統(tǒng)效率測試，平均功率因數(shù)為0.425，合格率54.79%（功率因數(shù)大于0.4為標準指標），其中73臺抽油機電動機的功率因數(shù)統(tǒng)計見表1。

表1 華東分公司采油廠機采系統(tǒng)電動機功率因數(shù)測試數(shù)據(jù)

根據(jù)表1，功率因數(shù)低于標準值0.4的油井共有33口，其中3臺抽油機電動機的功率因數(shù)過低，小于0.2，41口合格井中高功率因數(shù)電動機所占比例較小，為16.44%，合計12臺，可以看出華東分公司采油廠電動機功率因數(shù)水平不高，低壓線路的損耗較大。

2 智能無功補償技術(shù)的應(yīng)用

華東分公司采油廠于2012年9月選擇草32井作為試驗井，該井由1臺容量為100 kVA的變壓器拖載，拆除了草32井原有配電柜，安裝了1臺總?cè)萘繛?0 kvar的DK-H型智能無功自動補償柜[4]。在20天的時間內(nèi)跟蹤測試其電壓、功率因數(shù)，并進行統(tǒng)計計算和分析，對安裝無功自動補償柜前后的數(shù)據(jù)進行比較分析，確定其實際效果（草32井原配電柜安裝了一塊容量為16 kvar的固定式電容器），見表2。

表2 草32井智能無功補償現(xiàn)場應(yīng)用情況

通過對比，電動機功率因數(shù)由0.282上升至0.91，無功功率由24.4 kvar下降至3.74 kvar，同比下降84.66%，視在功率由25.43 kVA下降至9.05 kVA，同比下降64.41%。

3 節(jié)能效益分析

草32井與草平2井由1臺100 kVA變壓器拖載，安裝了智能無功補償柜，安裝前低壓側(cè)平均功率因數(shù)為0.604，安裝后低壓側(cè)平均功率因數(shù)為0.872。

3.1低壓線路損耗分析

假定線路有功負荷不變，補償前功率因數(shù)為cos ?1，補償后的功率因數(shù)為cos ?2，電壓變化忽略，根據(jù)公式：

變壓器低壓損耗降低:ΔP=[1-（0.604/0.872）2]× 100%=52%。

很顯然，采用智能無功補償后，低壓線路的損耗大幅下降。

該變壓器年售電量122 000 kWh，平均線損率3%，線損電量3660 kWh。智能補償投入后，線損下降率56.73%，則年節(jié)約電量1 903.2 kWh。

3.2變壓器損耗分析

取ΔPt為變壓器容量的2%，二次負荷電流為額定電流的40%，則ΔPto=（0.4）2×ΔPt=0.42× 100×0.02=0.32（kW）。安裝智能無功補償柜后降損率為52%，負載率取50%，則年節(jié)電量：0.32× 52%×24×365×40%=583.07（kWh）。那么，智能無功補償后低壓線路及變壓器年節(jié)電量合計為2 486.27 kWh。

3.3其他方面收益

華東分公司采油廠所轄油區(qū)，點多面廣，水網(wǎng)密布，電力供應(yīng)主要依靠地方農(nóng)電，辦理電力增容手續(xù)較為繁瑣，且費用較高（變壓器容量費每月28元/kVA）。智能無功補償技術(shù)能夠有效提高抽油機終端的功率因數(shù)，進而提高變壓器低壓側(cè)的平均功率因素，提高了電網(wǎng)中有功功率的輸送比例，增加了變壓器拖動抽油機的數(shù)量，同時在油田開發(fā)電網(wǎng)設(shè)計中減少了變壓器設(shè)計[4]容量，從而減少了投資。

草32井變壓器安裝前低壓側(cè)平均功率因數(shù)為0.604，安裝后低壓側(cè)平均功率因數(shù)為0.872，電網(wǎng)有功功率輸送比例提升了44.4%，在保證抽油機正常啟抽，且滿足抽油機交變載荷高峰期經(jīng)濟運行的情況下可將變壓器容量降至80 kVA，年可節(jié)約資金6720元。

4 結(jié)論

現(xiàn)場應(yīng)用表明，與傳統(tǒng)的觸點式固定容量無功補償方式相比，智能無功補償技術(shù)能夠?qū)崟r跟蹤系統(tǒng)的無功功率需求量，并由此確定電容的投入值，從而實現(xiàn)“按需所補”，解決了無功功率的過補償，避免由此引起的過電壓，同時也能夠有效解決無功功率欠補償問題，從而達到較為理想的補償效果，有效解決了電容容量與抽油機運行工況不相適應(yīng)的問題，功率因數(shù)最高可達0.9以上，系統(tǒng)運行效率提高，有著廣泛的發(fā)展前景。

[1]姚志.配電線路采用無功自動補償柜降低線路損耗的試驗及分析[J].寧夏電力,2004(2):84-85.

[2]李保君.智能無功補償技術(shù)在電力自動化中的應(yīng)用分析[J].城市建設(shè)理論研究,2013(11):41-43.

[3]張友盛.關(guān)于電力自動化智能無功補償技術(shù)的探討[J].科技與生活,2012(19):15-16.

[4]陳睿.淺議電力自動化智能無功補償技術(shù)[J].硅谷, 2010(21):21-22.

10.3969/j.issn.2095-1493.2014.012.008

2014-04-20）

高尤，2010年畢業(yè)于常州大學(xué)（油氣儲運專業(yè)），從事油田生產(chǎn)節(jié)能管理工作，E-mail：646620792@qq.com，地址：江蘇省泰州市海陵區(qū)南通路99號中石化華東分公司采油廠裝備科，225300。