濾波補償節能裝置在石油鉆井工程中的開發與應用

宋穎 王鳳臣 高志和 許立華

（中國石油集團渤海鉆探工程有限公司，天津 300457）

一、引言

電驅動直流鉆機在石油鉆井行業中的應用日益廣泛。但由于直流電機在工作中需要進行交直流變換，會產生27%以上的諧波分量，諧波會對供電系統造成嚴重污染，并對鉆井井場用電設備形成干擾，導致一些精密設備無法正常工作；同時“諧波污染”使得電驅動系統功率因數保持在0.5左右的低運行狀態,大量電流被無功消耗，發電機功率不能得以充分利用，造成“出工不出力”現象，能耗居高不下，設備投入增加，能耗上升。

二、濾波補償裝置使發電機“無功耗能”難題迎刃而解

濾波補償顧名思義，“濾波”是指無源濾波器對電網產生的諧波進行過濾吸收，以減少注入電網的諧波電流，提高發電機的供電質量；“補償”則是指諧波治理過程中，能夠提供容性無功，進行自動功率補償，提高供電系統的功率因數，改變因功率因數低而造成的高耗能，使設備一直處于良好的經濟運行狀態。根據這一原理，在直流電動鉆機上，開發應用濾波補償節能裝置，用來補償系統無功功率，抑制諧波電流，可減少柴油發電機開啟臺數，降低柴油消耗量，從源頭控制設備耗能，其節能空間很大。

我公司與生產廠家聯合開發試用濾波補償節能裝置，投入生產后，既有效的吸收諧波電流，改善電能質量；又能進行動態無功補償，提高電力系統的功率因數，穩定系統電壓，抑制振蕩，解決了生產中發電機“無功耗能”的難題。

三、濾波補償裝置基本原理和性能

（一 ）基本原理圖

濾波補償裝置是專門針對電動鉆機設計的，它采用無源濾波補償裝置和TCR相控電抗器組成，無源濾波補償裝置設置6個5次濾波支路、2個7次濾波支路和2個11次濾波支路，總安裝容量為4500KVAR,基波補償容量為2300KVAR。裝置采用TFC快速無沖擊投切技術，響應時間為0.01秒—3秒可調，并且可以實現無放電間隔重復快速投入。各支路分別設置專利生產的微機保護裝置，用于可靠的切除濾波器故障，保證系統穩定運行。

（二 ）裝置基本原理圖

（三 ）主要性能

1.諧波治理過程中提供容性無功，進行自動功率補償，最大限度提高功率因數，使設備始終處于良好的經濟運行狀態，達到節能減排的最佳效果。

2.無源濾波器對電網產生的諧波進行吸收，以減少注入發電機組的諧波電流，提高發電機的安全可靠性。

3.根據鉆井作業工況，實現自動快速投切控制。

4.有效進行諧波治理和無功快速跟蹤補償，使得鉆機負荷具有直接接入電網的功能。

（四 ）主要設備技術參數

1.額定電壓：600VAC，50Hz;

2.額定容量：2345kvar；

3.整體功耗：＜3W/kvar;

4.保護功能：短路保護，可控硅超溫保護，電抗器超溫保護，過壓過流保護，欠壓保護，雷擊保護等；

5.動態響應：動態補償，可控硅過零高速投切，投切無沖擊、無震蕩、無過渡過程，動態響應時間小于20 ms；

6.功率因數：補償值在0.92～1之間；

7.濾波效果：電能質量滿足GB/T14549-93的要求；

8.環境溫度：-300C～+550C；

9.相對濕度：＜90%（+200C 時），空調具有除濕功能。

10.試驗達到效果：

●功率因數從原來0.5左右，提高到0.92以上；

●補償容量大小，根據負荷的變化自動投切；

四、探索實踐濾波補償裝置節能功效

為了驗證無功補償與濾波裝置在提高鉆機電氣系統功率因數，抑制系統諧波和降低柴油發電機組能耗三個方面的有效性能，我們在一部7000米直流電動鉆機上試用了濾波補償節能裝置，分時段進行了手動投切對比試驗。監測記錄投用前后，濾波補償裝置對鉆機電氣系統的電壓、電流、諧波電壓、諧波電流、功率、功率因數等電量參數和柴油發電機耗油情況，并對采集數據進行對比分析（見表一）。

表一 2009年使用濾波補償裝置分時段測試數據對比表

測試結果：無功補償與諧波抑制系統進行投切前后對比，其節能率平均提高16.24%，與未投切前對比，萬度電耗油下降0.55方，降幅16.42%。數據統計分析得出，在濾波補償工作時，外界沒有直流電機運轉時,濾波補償自動切除，此時供電系統的功率因數不會提高；當直流電機運行或直流電機負荷比較大時，濾波補償裝置自動投入，迅速將供電系統的功率因數提高到0.99，這時柴油消耗量減少明顯。濾波補償裝置投入時間越長，節油效果越明顯，如“雙泵鉆進或雙泵大排量循環”數據顯示節能效果非常明顯，節能率在9.92%~27.29%之間，平均節能率16.24%；反之越低。如表中：起下鉆、下套管和候凝數據顯示，外界直流電機負荷非常輕時，濾波補償器一天自動投入時間很少或不自動投入，也就沒有明顯的節能效果（見表二）。

表二 無功補償與諧波抑制系統投切前后，發電機組總輸出值對比表