陳學(xué)梅 任桂山 李紅艷 王俊立

（1.大港油田公司采油工藝研究院；2.大港油田公司第六采油廠）

1 概述

大港油田以往的開(kāi)發(fā)模式是單井、少井開(kāi)發(fā)模式，井與井之間的距離相距較遠(yuǎn)，為降低低壓線路損耗，提高配網(wǎng)的系統(tǒng)效率，在配電方式上采用單井或少井配套50～200 kVA箱式變，6 kV配電變壓器降壓后低壓電纜敷設(shè)至油井滿足生產(chǎn)用電需要的方式。

為加快油田勘探開(kāi)發(fā)速度，控制開(kāi)發(fā)成本，提高開(kāi)發(fā)效益，從2017年開(kāi)始，大港油田的開(kāi)發(fā)模式已從單井、少井向叢式井模式轉(zhuǎn)變。叢式井模式下，井場(chǎng)征地面積有限，多井集中在一個(gè)井場(chǎng)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，油井之間距離在十米以內(nèi)，以往的配電方式顯然已不再適應(yīng)。一方面井場(chǎng)環(huán)網(wǎng)柜、箱式變等配電設(shè)備數(shù)量眾多，占地面積大，加大了配電系統(tǒng)的建設(shè)成本；另一方面變壓器數(shù)量多、總?cè)萘看?，也增加了配電系統(tǒng)的損耗。因此，多井集中供配電在叢式井開(kāi)發(fā)模式下勢(shì)在必行。

在油井調(diào)控方面，單井、少井開(kāi)發(fā)模式下往往不考慮油井的智能調(diào)控。在叢式井模式下，油井的智能調(diào)控是實(shí)現(xiàn)叢式井集約化管理，規(guī)?；б娴谋匾夹g(shù)手段。隨著油井開(kāi)采時(shí)間的增加，動(dòng)液面或含水會(huì)發(fā)生變化，油井的工作制度也需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。為實(shí)現(xiàn)油井的自動(dòng)調(diào)參，提高系統(tǒng)效率，油井通常會(huì)采用變頻調(diào)控技術(shù)。

因此，叢式井模式下，多井集中供配電與變頻調(diào)控技術(shù)的結(jié)合是實(shí)現(xiàn)叢式井節(jié)能降耗、集約化管理和規(guī)?；б娴谋ＷC。

2 常規(guī)變頻調(diào)控技術(shù)

多井集中供配電，在采用常規(guī)變頻調(diào)控技術(shù)時(shí)，抽油機(jī)叢式井供配電系統(tǒng)的特點(diǎn)為：多井共用一臺(tái)變壓器，變壓器降壓后交流380 V電分配到油井，單井配套變頻設(shè)備進(jìn)行智能調(diào)控，見(jiàn)圖1。

圖1 常規(guī)變頻調(diào)控技術(shù)的供配電系統(tǒng)圖

如圖1所示，叢式井采用常規(guī)變頻調(diào)控技術(shù)后，雖然可以實(shí)現(xiàn)油井的智能調(diào)控，但卻存在以下兩個(gè)方面的突出問(wèn)題：

1）單井變頻器設(shè)備端需配置制動(dòng)裝置或能量回饋單元，增加了變頻設(shè)備的配置成本，且能源的利用率較低。抽油機(jī)負(fù)載的特點(diǎn)決定其可能會(huì)存在反發(fā)電狀態(tài)——再生能量狀態(tài)[1]。由于抽油機(jī)變頻器的整流單元大都采用不可控整流橋，不能使電流反向流動(dòng)，當(dāng)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，變頻器從電動(dòng)機(jī)吸收的能量就會(huì)存儲(chǔ)在直流環(huán)節(jié)的電容中，最終導(dǎo)致直流母線電壓的升高，進(jìn)而會(huì)造成變頻設(shè)備的損壞。為避免上述問(wèn)題的發(fā)生，抽油機(jī)變頻器在直流側(cè)一般需要配套制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，或者能量回饋單元[2]。前者為能量制動(dòng)，將電動(dòng)機(jī)的再生能量消耗在電阻上造成了能量的浪費(fèi)；而后者為回饋制動(dòng)，需采用有源逆變技術(shù)將直流電轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同頻、同相的交流電后回饋到交流電網(wǎng)中，雖然在一定程度上提高了能源的利用率，但增加了能量的流動(dòng)環(huán)節(jié)，能源的利用率較低。另外有源逆變會(huì)產(chǎn)生少量的高次諧波，還需增加濾波的環(huán)節(jié)才能保證電源側(cè)的供電質(zhì)量，如此，能量回饋單元的成本要高出不少。

2）變壓器二次側(cè)低壓系統(tǒng)需配套有源濾波裝置，增加了配電系統(tǒng)的建設(shè)成本。在同一低壓系統(tǒng)上多臺(tái)變頻設(shè)備共同使用，勢(shì)必造成系統(tǒng)的諧波污染問(wèn)題。而系統(tǒng)上還有RTU、視頻監(jiān)控設(shè)備、通訊設(shè)備和照明等用電負(fù)荷，大量諧波的存在勢(shì)必會(huì)影響它們的可靠運(yùn)行。對(duì)于負(fù)荷經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化的低壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，諧波治理的最有效措施是采用有源濾波技術(shù)。有源濾波裝置的成本高[3]，其造價(jià)大致在2000元/A以上，這無(wú)疑增加了配電系統(tǒng)的建設(shè)成本。

3 共用直流母線技術(shù)

共用直流母線技術(shù)是將變頻器的整流單元和逆變單元分開(kāi)，多臺(tái)設(shè)備共用一套整流裝置，單臺(tái)設(shè)備配套逆變器進(jìn)行調(diào)控的一種技術(shù)，實(shí)質(zhì)是一種變頻調(diào)控技術(shù)。這種技術(shù)經(jīng)常應(yīng)用于同一系統(tǒng)的多臺(tái)設(shè)備同時(shí)存在發(fā)電和電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)的情況，當(dāng)同一生產(chǎn)系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)機(jī)處于反發(fā)電狀態(tài)時(shí)，由于共用直流母線，其再生能量可以被同一系統(tǒng)中的其它電動(dòng)機(jī)以電動(dòng)的方式消耗掉，從而達(dá)到節(jié)能降耗的作用[4-5]。這種技術(shù)對(duì)于油田抽油機(jī)叢式井有很好的適用性。

采用共用直流母線變頻調(diào)控技術(shù)時(shí)，抽油機(jī)叢式井配電系統(tǒng)特點(diǎn)為：?jiǎn)尉涮啄孀冄b置，多口油井共用整流裝置，整流后直流DC540 V配出到各單井逆變器，逆變器實(shí)現(xiàn)對(duì)油井的調(diào)控，如圖2。

圖2 共用直流母線技術(shù)的系統(tǒng)圖

這種技術(shù)具有常規(guī)變頻調(diào)控技術(shù)的調(diào)控優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）多井共用整流裝置，單井調(diào)控部分省去整流環(huán)節(jié)，整流裝置容量大幅下降。對(duì)于抽油機(jī)負(fù)載來(lái)說(shuō)，由于它具有重載起動(dòng)，輕載運(yùn)行的特點(diǎn)，因此單井變頻器正常運(yùn)行情況下，負(fù)載率低，僅有1/3左右，容量利用率低。當(dāng)共用整流裝置后，裝置容量可下降50%以上。在負(fù)載多的情況下，系統(tǒng)可配置兩套整流單元，一用一備，提高系統(tǒng)的可靠性。

2）省去油井端制動(dòng)裝置或回饋裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)可靠。雖然在整流裝置端配置了制動(dòng)裝置或回饋裝置，當(dāng)直流母線電壓超過(guò)700 V時(shí)投入運(yùn)行，保證系統(tǒng)的安全可靠，但正常情況下，所有的抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)不可能同時(shí)處于反發(fā)電狀態(tài)，因此，制動(dòng)裝置或回饋裝置投入運(yùn)行的機(jī)率很小。

3）由于共用直流母線，各電動(dòng)機(jī)工作在不同狀態(tài)時(shí)下，能量回饋互補(bǔ)，實(shí)行了就地平衡，優(yōu)化了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，節(jié)能效果較常規(guī)變頻技術(shù)高10%以上。

4）整流裝置前端配套濾波單元，濾波投入小，供電質(zhì)量有保證。

5）直流DC540 V配出到油井，低壓配電電纜由原來(lái)的五芯電纜變?yōu)槿倦娎|，成本降低1/3以上。

4 應(yīng)用實(shí)踐

2017年大港油田在羊三木油田建設(shè)羊1#叢式井，規(guī)劃23口抽油機(jī)井，單井電動(dòng)機(jī)額定功率33kW，設(shè)備總裝機(jī)功率759 kW。在羊1#叢式井采用共用直流母線技術(shù)后，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

在配電系統(tǒng)建設(shè)投資方面，與常規(guī)變頻調(diào)控技術(shù)相比降低43萬(wàn)元，下降42%。在系統(tǒng)諧波方面，諧波含量在國(guó)標(biāo)允許范圍內(nèi)：諧波電壓總畸變率在4%，5次諧波電壓含量2.8%。

在節(jié)電降耗方面，共用直流母線技術(shù)更是優(yōu)勢(shì)明顯，年可節(jié)電48×104kWh，體現(xiàn)在以下方面：

1）多井集中配電，共用一臺(tái)500 kVA配電變壓器，與單井、少井開(kāi)發(fā)模式相比，變壓器容量下降56%，變壓器損耗下降6.5×104kWh/a。實(shí)際運(yùn)行情況表明，變壓器容量可以降低到315 kVA，節(jié)能效果更好。

2）單井逆變器實(shí)現(xiàn)油井的調(diào)控，逆變柜內(nèi)RTU采集生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)并上傳至油井生產(chǎn)信息平臺(tái)，通過(guò)智能分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)油井的遠(yuǎn)程調(diào)參。遠(yuǎn)程調(diào)參的實(shí)現(xiàn)，使抽油機(jī)井系統(tǒng)效率保持在一個(gè)較高的水平上，這種作用尤其在油井生產(chǎn)的中后期效果越發(fā)顯著。單井系統(tǒng)效率可提高15%以上，23口井年節(jié)電至少25×104kWh。

3）共用直流母線方式下，系統(tǒng)再生能量就地利用，抽油機(jī)平衡狀態(tài)不好的情況下，節(jié)能可達(dá)到10%，23口油井預(yù)計(jì)年節(jié)電16.5×104kWh。

5 結(jié)論及建議

共用直流母線技術(shù)具有常規(guī)變頻調(diào)控方式的調(diào)控優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井再生能量的有效利用，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠的特點(diǎn)。共用直流母線技術(shù)在油田叢式井應(yīng)用后，既實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，又降低了配電系統(tǒng)的投資成本，諧波污染程度小，是適用于抽油機(jī)叢式井的一種節(jié)電技術(shù)。

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