焦裕璽盧正通肖志勇劉向東張素梅

（1.山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院；2.勝利油田技術(shù)檢測中心）

基于共直流母線的多油井變頻群控系統(tǒng)節(jié)能分析

焦裕璽1盧正通1肖志勇2劉向東2張素梅2

（1.山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院；2.勝利油田技術(shù)檢測中心）

抽油機(jī)是油田機(jī)采系統(tǒng)主要能耗設(shè)備之一，針對抽油機(jī)存在的嚴(yán)重倒發(fā)電問題，將多臺(tái)抽油機(jī)變頻控制終端配掛在直流母線上，實(shí)現(xiàn)油區(qū)內(nèi)多臺(tái)抽油機(jī)倒發(fā)電能的互饋共享。以某油田對該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用測試為例，對比了使用該技術(shù)前后的節(jié)能效果。結(jié)果表明，該系統(tǒng)有效地降低了投資成本，提高了系統(tǒng)功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。

抽油機(jī)倒發(fā)電直流母線群控系統(tǒng)變頻控制節(jié)能分析

在油田生產(chǎn)過程中，抽油機(jī)井除了常規(guī)的配電方式外，新型控制方式逐步投入使用，例如共交流母線和共直流母線群控系統(tǒng)。對共直流母線的多油井變頻系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與開發(fā)，由于缺少現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的支撐，而且在系統(tǒng)可靠性以及對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生的影響等方面也沒有明確的評價(jià)。因此，結(jié)合某油田采油廠生產(chǎn)實(shí)際，對正常生產(chǎn)油井進(jìn)行了共直流母線改造工作，通過測試了解共直流母線系統(tǒng)投入機(jī)采系統(tǒng)前后的能耗變化情況，掌握了共直流母線技術(shù)的性能、特點(diǎn)及優(yōu)勢，為油田開展類似的改造工作提供理論和現(xiàn)場數(shù)據(jù)支撐。

1　系統(tǒng)原理

根據(jù)直流母線供電原理，設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)多臺(tái)抽油機(jī)群控的變頻節(jié)能裝置［1］。該技術(shù)的特點(diǎn)為：利用變壓器對電網(wǎng)電壓進(jìn)行降壓處理，再通過整流濾波裝置把交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?00V的直流電，將多臺(tái)抽油機(jī)變頻控制終端系統(tǒng)配掛在直流母線上進(jìn)行群控，實(shí)現(xiàn)群控網(wǎng)絡(luò)上多臺(tái)抽油機(jī)倒發(fā)電能的循環(huán)共享，既減小了網(wǎng)側(cè)的諧波污染又提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的（圖1）。

2　主要研究內(nèi)容

測試某油田單獨(dú)運(yùn)行的4口油井，由4臺(tái)變壓器供電，油井平均距離約為300m，改造前為“一拖一”單井，改造后為“一拖四”共直流群控系統(tǒng)，分別對使用共直流母線群控系統(tǒng)前后的油井運(yùn)行情況進(jìn)行了測試與分析，其中電參數(shù)的測試項(xiàng)目主要包括了變壓器二次側(cè)以及抽油機(jī)單井的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)；除電參數(shù)的測試以外，對每口油井的產(chǎn)液量進(jìn)行了同步計(jì)量。共直流群控系統(tǒng)使用前，各單井均處于工頻運(yùn)行狀態(tài)；共直流群控系統(tǒng)使用后，各單井根據(jù)工況，分別運(yùn)行于不同頻率。根據(jù)測試結(jié)果，從三個(gè)方面對共直流母線使用情況進(jìn)行了分析：各單井運(yùn)行情況；變壓器運(yùn)行情況；群控系統(tǒng)運(yùn)行情況。

圖1　系統(tǒng)原理示意圖

3　節(jié)能分析

3.1單井運(yùn)行情況分析

使用群控系統(tǒng)前后，單井產(chǎn)液量及電參數(shù)的測試對比見表1?？梢钥闯觯?/p>

1）油井1改造前為工頻運(yùn)行，改造后為變頻50Hz運(yùn)行，油井的沖速、產(chǎn)液量未發(fā)生變化，但由于使用了逆變單元，其中電力電子器件在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生損耗，因此單井的有功功率比未使用逆變單元時(shí)要略微升高。

2）油井2改前為工頻運(yùn)行，改后為變頻48Hz運(yùn)行。在頻率48Hz運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化不大，對油井沖速的影響有限，所以產(chǎn)液量變化不明顯，運(yùn)行電流稍有下降，有功功率降低但變化不大。

3）油井3和油井4，由于改后運(yùn)行頻率變化較大，因此沖速降低明顯。從表1可以看出，這2口井改后產(chǎn)液量雖稍有降低，但變化量小，但有功功率明顯降低，節(jié)能效果顯著。由此可見，對于群控系統(tǒng)，使用變頻調(diào)速是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的前提條件，就是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)與泵的最佳配合。

表1　系統(tǒng)改造前后各單井運(yùn)行情況對比

3.2變壓器運(yùn)行情況分析

改造前后，變壓器二次側(cè)的相關(guān)電參數(shù)及容量統(tǒng)計(jì)情況見表2?？梢钥闯龉仓绷髂妇€群控系統(tǒng)對變壓器運(yùn)行方面的影響：

1）實(shí)現(xiàn)了變壓器的有效降容、減少容量費(fèi)的投入。使用群控系統(tǒng)前，4口油井分別使用50kVA變壓器，總?cè)萘?00kVA，使用群控系統(tǒng)后，僅使用1臺(tái)100kVA變壓器，總?cè)萘抠M(fèi)下降50%。

2）改造前，為了滿足電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)以及過載要求，往往選取比較大的電動(dòng)機(jī)與變壓器。但實(shí)際運(yùn)行中，油井的平均負(fù)荷較小，因此抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)、變壓器的負(fù)載率比較低，不利于設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。使用群控系統(tǒng)后，幾臺(tái)抽油機(jī)可以共用1臺(tái)變壓器，變壓器的負(fù)載率提高，設(shè)備運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)。

3）改造后，在保持各油井產(chǎn)液量不變并運(yùn)行于變頻狀態(tài)，各油井的總有功功率明顯低于“一拖一”單井運(yùn)行方式產(chǎn)生的有功功率，有功節(jié)電率約14%，具有明顯的節(jié)能效果。

4）由于群控系統(tǒng)整流單元，使用群控系統(tǒng)時(shí)，變壓器的功率因數(shù)明顯高于未使用群控系統(tǒng)，對整個(gè)群控井群以及配網(wǎng)都是有益的。

表2　系統(tǒng)改造前后變壓器二次側(cè)數(shù)據(jù)匯總

3.3群控系統(tǒng)運(yùn)行情況

根據(jù)單井及變壓器二次側(cè)的測試結(jié)果，得到群控系統(tǒng)使用前后的損耗對比情況（表3），由于群控系統(tǒng)中間環(huán)節(jié)較多，相應(yīng)各環(huán)節(jié)的損耗較高，因此系統(tǒng)整體損耗要高于普通工頻運(yùn)行產(chǎn)生的損耗，但由于群控系統(tǒng)將抽油機(jī)的倒發(fā)電能量利用，能夠?qū)崿F(xiàn)油井的實(shí)時(shí)變頻控制，因此系統(tǒng)的節(jié)能效果明顯。測試過程中整流單元入端（變壓器二次側(cè)）及單井逆變單元的有功功率波形如圖2、圖3、圖4所示?？梢钥闯?，雖然有2口井有不同程度的倒發(fā)電情況，但在整流單元的入端均未能檢測到電能的回饋，說明群控系統(tǒng)可以很好地解決抽油機(jī)倒發(fā)電問題。

表3　系統(tǒng)改造前后功率損耗情況匯總

圖2　油井1功率曲線

圖3　油井3功率曲線

圖4　整流單元入端的功率曲線

4　結(jié)論

采用直流母線群控技術(shù)，避開多口油井大電流的峰值疊加，互相避峰填谷，大幅度降低母線電流，使總?cè)萘拷档土?0%以上，減少了配電變壓器的使用數(shù)量，減少了容量費(fèi)的成本支出；直流輸電線路壓降較小，電能損耗較低，且直流輸電容量約為交流的2倍左右，僅用2根電纜替代交流架空線路需用的3根電纜，可節(jié)約資金30%以上；處于電動(dòng)運(yùn)行的抽油機(jī)能夠汲取處于倒發(fā)電狀態(tài)下抽油機(jī)發(fā)出的電能，避免了倒發(fā)電量回饋至電網(wǎng)，省去饋能處理單元，降低各單井變頻終端投資約20%。實(shí)現(xiàn)了節(jié)約能源、降低成本的目標(biāo)，該節(jié)能研究成果具有推廣與利用價(jià)值。

［1］趙智，鮑兵，趙中山.基于采油系統(tǒng)的公共直流母線變頻器結(jié)構(gòu)分析及應(yīng)用［J］.電氣應(yīng)用，2008（14）：24-26.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.003.003

2014-12-29）

焦裕璽，山東科技大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程，E-mail：544149814@qq.com，地址：山東省東營市西城區(qū)濟(jì)南路2號(hào)勝利油田技術(shù)檢測中心，257000。