董建奇

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江 大慶 163413）

鉆井電網(wǎng)供電可靠性與節(jié)能技術(shù)研究

董建奇

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江 大慶 163413）

根據(jù)鉆井隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)供電情況，研究應(yīng)用鉆井高壓保護(hù)技術(shù)、大功率電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)、動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償技術(shù)、變頻動(dòng)力系統(tǒng)調(diào)諧濾波技術(shù)、遠(yuǎn)程在線電能狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，形成一套鉆井安全供電技術(shù)方案，并提高鉆井供電線路帶載能力，達(dá)到節(jié)能降耗目的。

鉆井供電質(zhì)量；無功補(bǔ)償；鉆井泵電機(jī)降壓?jiǎn)?dòng)；電能在線監(jiān)測(cè)

1 背景

大慶油田長(zhǎng)垣地區(qū)年鉆調(diào)整井4000余口，主要由大慶鉆探工程公司擔(dān)負(fù)。鉆機(jī)供電方式為電網(wǎng)供電或柴油機(jī)供電。隨著節(jié)能降耗工作的開展，鉆機(jī)“油改電”的井隊(duì)不斷增加，大慶內(nèi)部調(diào)整井主要依靠電網(wǎng)供電作動(dòng)力。因此，供電質(zhì)量安全可靠性對(duì)鉆井的保障作用日益突出與明顯。大慶油田電網(wǎng)密布，鉆井線路接入油田35kV高壓電網(wǎng)后，經(jīng)過移動(dòng)變電站主變壓器降壓后輸出兩條6kV供電回路,能夠滿足6個(gè)1000kW負(fù)荷的電動(dòng)化鉆機(jī)使用。各鉆井隊(duì)并聯(lián)在同一條供電線路上。

鉆井生產(chǎn)情況表明，目前的鉆井井場(chǎng)供電存在以下問題：（1）電網(wǎng)局部供電緊張，引起鉆井現(xiàn)場(chǎng)供電質(zhì)量下降。（2）供電設(shè)備容量不能充分利用，個(gè)別鉆井隊(duì)動(dòng)用柴油機(jī)動(dòng)力。（3）供電安全可靠性差，造成設(shè)備頻繁損壞。鉆井泵經(jīng)常因啟動(dòng)中過流，造成鉆井線路突然停電，降低設(shè)備使用壽命。（4）供電設(shè)備自動(dòng)化程度不高，無電源質(zhì)量控制措施。變頻設(shè)備產(chǎn)生大量諧波，造成控制系統(tǒng)失控，設(shè)備誤動(dòng)作。（5）供電裝備性能落后。高壓保護(hù)柜中仍使用高壓跌落式熔斷器、繼電器等老式元器件,抗震動(dòng)性能差，雨雪潮濕天操作危險(xiǎn)，經(jīng)常保護(hù)失效，保護(hù)越級(jí)，從而引起鉆井區(qū)域大面積停電。（6）鉆井隊(duì)用電不能實(shí)現(xiàn)單隊(duì)計(jì)量。目前沒有完善的高壓計(jì)量裝置,單隊(duì)鉆井隊(duì)電費(fèi)僅憑估算,不利于節(jié)能與電費(fèi)考核。為此，進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)與改進(jìn)，解決鉆井供電可靠性差與電能浪費(fèi)大的問題。

2 鉆井供電可靠性與節(jié)能實(shí)施方案

根據(jù)大慶油田常見井隊(duì)的供電配置方式，分別研究各項(xiàng)電能指標(biāo)的質(zhì)量控制與節(jié)能技術(shù)，如鉆井單井高壓保護(hù)與計(jì)量技術(shù)，無功補(bǔ)償，鉆井泵高壓軟啟動(dòng)和鉆井調(diào)諧濾波技術(shù)。制造樣機(jī)，在圖1中所示位置處安裝，進(jìn)行單獨(dú)試驗(yàn)，不斷改進(jìn)，在單井試驗(yàn)中，達(dá)到鉆井安全供電質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；再在臨時(shí)鉆井供電變電站提供的一條線路上所帶的7個(gè)鉆井隊(duì)，根據(jù)每個(gè)鉆井隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備配置情況，配套使用各項(xiàng)供電質(zhì)量控制技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，達(dá)到鉆井線路供電質(zhì)量，滿足鉆井需要。

圖1 鉆井現(xiàn)場(chǎng)電力供電系統(tǒng)示意圖

2.1 鉆井單井高壓保護(hù)與計(jì)量技術(shù)研究

將過去高壓跌落式保險(xiǎn)進(jìn)電改為采用隔離開關(guān)進(jìn)電控制。將YZ202/302系列綜合微機(jī)保護(hù)裝置進(jìn)行應(yīng)用，它集保護(hù)、測(cè)量、控制、監(jiān)測(cè)、通信于一體，做為鉆井井場(chǎng)6000V供電的主保護(hù)，具有過流、速斷、短路、斷相、接地等保護(hù)功能。通過科學(xué)合理的整定設(shè)置，不但保護(hù)可靠靈敏，而且不會(huì)頻繁動(dòng)作，不會(huì)越級(jí)誤動(dòng)作，把故障控制在故障單井，減少線路大面積斷電。裝置內(nèi)安裝井場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，計(jì)量等級(jí)為0.5級(jí)。

2.2 鉆井高壓無功補(bǔ)償技術(shù)研究

鉆井高壓電氣系統(tǒng)功率因數(shù)補(bǔ)償，采用高壓低補(bǔ)方式，先由6000V/400V，容量為500kVA的電力變壓器將6000V變壓為400V，然后進(jìn)行450kvar功率補(bǔ)償，容性負(fù)荷反送電網(wǎng)，抵償感性負(fù)荷產(chǎn)生的無功電流。研制動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置，采用大功率可控硅組成的無觸點(diǎn)開關(guān)，對(duì)多級(jí)電容器進(jìn)行快速無過渡投切。自動(dòng)補(bǔ)償控制器采用全智能控制，對(duì)電網(wǎng)的電壓、電流進(jìn)行采樣，然后基于交流采樣算法，求得動(dòng)力系統(tǒng)的無功功率，實(shí)現(xiàn)跟蹤測(cè)量鉆井中負(fù)荷的功率因數(shù)、無功電流，與預(yù)先設(shè)定的給定值進(jìn)行比較，并進(jìn)行補(bǔ)償容量實(shí)時(shí)計(jì)、投切邏輯快速判斷、實(shí)時(shí)輸出投切信號(hào)、動(dòng)態(tài)控制投切不同組數(shù)的電容器，以保證功率因數(shù)始終滿足設(shè)定要求。提高系統(tǒng)功率因數(shù)，補(bǔ)償容量足夠的情況下平均功率因數(shù)達(dá)到0.9以上，減少無功電流損耗。動(dòng)態(tài)抑制諧波，能夠避免諧波產(chǎn)生的諧振，一定程度抑制瞬間電壓閃變，運(yùn)行不會(huì)對(duì)其他電氣設(shè)備產(chǎn)生不良影響和干擾。同時(shí)，通過LED顯示屏完成人機(jī)交互，進(jìn)行控制的參數(shù)預(yù)置，運(yùn)行狀態(tài)顯示及異常報(bào)警功能。

圖1 鉆井安全供電節(jié)能總體改進(jìn)方案

2.3 鉆井泵高壓電機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)研究

驅(qū)動(dòng)鉆井泵的YB-630-4型高壓三相異步電機(jī)（簡(jiǎn)稱電機(jī)）參數(shù)：功率為1000kW，額定電壓為6000V，額定電流為115.2A，頻率為50Hz，F(xiàn)級(jí)絕緣，轉(zhuǎn)速為1490r/min。通過實(shí)測(cè)評(píng)估及性價(jià)比分析認(rèn)為，基于磁閥式可控電抗器的軟起動(dòng)系統(tǒng)為綜合最優(yōu)選擇（圖3）。

圖2 磁閥式磁控電抗器的二次原理圖

高壓軟起動(dòng)裝置主要由TV柜、電機(jī)控制柜、磁閥式軟起動(dòng)柜組成。高壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)技術(shù)主要應(yīng)用于1000kW/6000V電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆井泵系統(tǒng)中。降壓?jiǎn)?dòng)裝置的核心為磁閥式可控電抗器，將其串聯(lián)接入電動(dòng)機(jī)的定子起動(dòng)回路，采用低壓晶閘管為核心控制器件，通過改變晶閘管的導(dǎo)通角來改變磁閥式可控電抗器鐵芯磁閥的磁阻，從而改變電抗器的電抗值，達(dá)到平滑調(diào)節(jié)電抗的目的。起動(dòng)鉆井泵電動(dòng)機(jī)把起動(dòng)電流由6倍限制到2倍額定電流以內(nèi),緩慢安全起動(dòng)，不沖擊電網(wǎng)。起動(dòng)電流大小可通過人機(jī)界面設(shè)定并準(zhǔn)確鎖定。根據(jù)鉆井泵電機(jī)負(fù)載特點(diǎn)，起動(dòng)電流設(shè)定為2Ie，起動(dòng)時(shí)間13秒，從而杜絕因鉆井泵起動(dòng)造成過載跳閘停電事故的發(fā)生。磁閥式可控電抗器應(yīng)用于起動(dòng)回路，其導(dǎo)通及關(guān)斷，克服了傳統(tǒng)晶閘管軟起動(dòng)中耐壓受限、容量受限、對(duì)波形破壞嚴(yán)重的缺點(diǎn)，尤其適合超高壓及超大容量系統(tǒng)，不怕搬遷中震動(dòng)，免維護(hù)，適合鉆井隊(duì)使用。

2.4 鉆井現(xiàn)場(chǎng)調(diào)諧濾波技術(shù)研究

高次諧波產(chǎn)生的原因主要是由于電力系統(tǒng)中存在非線性元件及負(fù)載。儲(chǔ)能元件或變流裝置使電壓、電流波形發(fā)生畸變。電網(wǎng)中存在大量諧波，造成設(shè)備不能正常工作，產(chǎn)生很大危害。鉆井調(diào)諧濾波技術(shù)主要應(yīng)用于600V變頻控制系統(tǒng)。本項(xiàng)目研制的是并聯(lián)型電流型濾波裝置（圖3）。APF由IGBT功率模塊組成的三相電平逆變器經(jīng)由連接電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上。負(fù)載電流被采集到APF控制系統(tǒng)中，通過實(shí)時(shí)控制電路將負(fù)載電流中的諧波分量分離出來，運(yùn)用大容量DSP數(shù)字信號(hào)處理器，采用PWM最新技術(shù)控制IGBT觸發(fā)，通過調(diào)節(jié)三電平逆變器交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，輸出與負(fù)載諧波電流大小相等，方向相反的電流與系統(tǒng)中的諧波電流互相抵消，實(shí)現(xiàn)濾除諧波的功能，保證最終流入系統(tǒng)電流是正弦波。

圖3 鉆井調(diào)諧濾波裝置一次系統(tǒng)示意圖

2.5 鉆井現(xiàn)場(chǎng)電能質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與計(jì)量技術(shù)研究

在充分考慮野外鉆井工況的情況下，以當(dāng)代先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)和信息技術(shù)為手段，建立電能質(zhì)量指標(biāo)在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)、分析一體化軟件平臺(tái)，形成科學(xué)化的鉆井井場(chǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)管理模式，為鉆井井場(chǎng)電能質(zhì)量的事中控制提供決策依據(jù)，為鉆井井場(chǎng)電能質(zhì)量的事后分析提供手段（圖4）。實(shí)現(xiàn)了井場(chǎng)電能質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)（三相電流、電壓，有功、無功功率，電度，電壓電流波形、總諧波（THD）、諧波棒圖、三相不平衡，CF因子，K因子等）采集與傳輸，在后線就可計(jì)量與觀察井場(chǎng)電能狀況。

2.6 一條鉆井供電線路上實(shí)施配套技術(shù)應(yīng)用情況與效果

根據(jù)每個(gè)隊(duì)的設(shè)備配置情況，配套使用相關(guān)技術(shù)。同時(shí)，在所有鉆井隊(duì)的高壓保護(hù)柜上加裝電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)高壓保護(hù)柜處對(duì)電壓、電流、波形、三相不平衡度等每個(gè)隊(duì)鉆井電能質(zhì)量情況進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和鉆井電能計(jì)量考核。通過實(shí)施，供電線路電壓得到提高，加上遠(yuǎn)程電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行，對(duì)鉆井電力線路運(yùn)行情況可以實(shí)時(shí)跟蹤，合理調(diào)度協(xié)調(diào)鉆井隊(duì)搭火線入網(wǎng)點(diǎn)，避免了有的線路負(fù)荷過少，有的線路負(fù)荷超載的情況，這樣，一個(gè)鉆井臨時(shí)移動(dòng)變電站過去最多帶6個(gè)鉆井隊(duì)，現(xiàn)在最多可以帶到7個(gè)鉆井隊(duì)。

圖4 電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)井場(chǎng)示意圖

將電能質(zhì)量控制在標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)，供電平穩(wěn)可靠，杜絕了鉆井線路突然斷電。電控系統(tǒng)改進(jìn)7支鉆井隊(duì)，加裝的電能質(zhì)量控制設(shè)備多為免維護(hù)運(yùn)行，自動(dòng)化程度高，滿足了鉆井供電要求。投入使用后，效果良好，安全節(jié)能，保障電網(wǎng)供電可靠性，確保鉆井人員操作安全，提高鉆井生產(chǎn)效率，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。7個(gè)鉆井隊(duì)進(jìn)行了項(xiàng)目應(yīng)用，3年共產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益4136萬元。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，電力電子新技術(shù)在鉆井現(xiàn)場(chǎng)配套應(yīng)用，形成適合于油田鉆井的供電安全控制與節(jié)能技術(shù)，使鉆井現(xiàn)場(chǎng)供電質(zhì)量達(dá)到國(guó)家電網(wǎng)要求標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)能降耗，安全環(huán)保，減少電氣設(shè)備的誤動(dòng)作與損壞，確保鉆井生產(chǎn)的順利進(jìn)行，收到顯著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

[1]靳龍章．丁毓山．電網(wǎng)無功補(bǔ)償實(shí)用技術(shù)[M].中國(guó)水利水電出版社，2008，10.

[2]劉利軍．節(jié)電技術(shù)及其工程應(yīng)用[M].中國(guó)電力出版社，2012，1.

[3]蔡中勤，周蘇荃，劉明基．電網(wǎng)保護(hù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010，1.

[4] 高壓靜止無功補(bǔ)償裝置，中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2007-03-01實(shí)施.

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