油田機采系統1.14kV集中控制供配電節電技術

于傳聚 文 輝

（中國石化股份有限公司河南油田分公司，河南 南陽 473132）

1 機采系統在用電上存在的問題

在原油生產五大系統中，機采系統耗電約占原油生產總耗電量的 50%～60%（其次是注水系統約占 40%）。中石化油田企業采油系統每年用電量約40億 kW·h，油井 37000多口。機采系統效率在理論上可以達到55%，但從近幾年中石化的測試結果來看實際系統效率平均不足30%。機采系統效率低，稠油系統更低，只有 8%～10%，年損耗電量占機采系統用電量的 15%，節電空間很大。

1）電機的負載率低

抽油機在啟動時需要較大的沖擊力矩，運轉時力矩較小，而在一個沖次的工作周期中，抽油機載荷變化大，電動機一半時間處于重載狀態，一半時間處于輕載狀態。如果抽油機的平衡狀態調整不好，電機還會時常出現負功現象。造成電機裝機容量大、負載率低，一般只有15%～30%左右，大馬拉小車現象十分嚴重。功率因數只有0.3左右，能耗高。

2）電動機轉速高

油井生產參數的變化，含水上升、動液面變化等需要調整抽油機的沖程和沖次，靠調整皮帶輪已經不能解決問題，機械調速增加能耗，電子變頻調速技術復雜，需要采用多極低速電機，同時又可以降低電機容量。

3）油井變壓器負載率低

由于歷史原因，一口油井配置一臺變壓器的供電情況依然嚴重，占總數的90%以上，變壓器配置總容量大，功率因數低，而且還有相當一部分國家明令淘汰的變壓器在運行，變壓器能耗高。

4）配電系統功率因數低

由于抽油機負載的變化達大，甚至時常出現負功現象，使得電機的就地無功補償效果不理想，無功損耗大。據測試，油井電機的功率因數不足0.4，配電線路不足0.6，而感性設備在欠負荷狀態下的無功損耗將大大增加。造成線路損耗高達20%以上。

5）配電電壓低

油田高壓線路配電電壓多以6kV為主，少數地區使用 35kV配電線路。而對油井電機的供電電壓絕大部分是380V，個別油田部分使用了1.14kV配電。 在同樣輸送功率的情況下，380V供電系統的工作電流是1.14kV系統的3倍，線路損耗是1.14kV系統的9倍。

根據多年的研究和實踐，解決上述問題的有效辦法是對油井供配電線路和設施進行升壓和集中控制供電技術改造，將低壓線路有 380V升壓為1.14kV，建設集中供電裝置，減少配電變壓器數量和容量，采用1.14kV高效異步電機和大啟動轉矩的永磁同步電機，降低電機轉速。

2 集中控制供電技術

油井的不同時期開發和不規則的開發，形成了線路的點多線長放射性樹枝狀發展。一口油井一臺變壓器的單井單變供電方式，對于不同時間建設或彼此距離較遠的分散油井來說，具有施工方便和運行故障影響范圍小的優點，但卻形成了變壓器負載率低、系統功率因數低、線損大，安全性差、維護工作量大、故障率高、可靠性低等缺點，而且380V配電系統易受私拉亂接竊電影響。

2.1 1.14kV集中供配電技術含義

將380V電壓升壓為1.14kV，建設集中供電配電室，用一臺大容量節能型變壓器取代多臺小容量高耗能變壓器，同時對10-20口油井供電，電動機選用高效節能的永磁同步電動機取代異步電動機，完善保護計量、實現遠方監控。實現節電降耗、提高供電可靠性的目的。

2.2 集中控制供電技術的優勢

1）節能

減少了變壓器運行臺數和容量，負載率提高到75%以上，降低了損耗。

低壓線路升壓為 1.14kV，損耗減小，是 380V的1/9，也可以大幅度擴大供電半徑，為集中供電提供了條件。

電動機改為高效電機和永磁電機，減小了電機的匹配容量，提高了負載率。

選用永磁同步電機，減少了無功消耗；采用無功自動集中補償裝置降低了系統無功功率損耗，可使系統功率因數達到0.90以上，降低了電網損耗。

2）管理

完善了過流、速斷、電壓、斷相、過熱等保護功能，功能增強

配電室靠近計量站建設，變壓器室內或圍墻內安裝，低壓電纜埋地敷設，安全生產環境得到了改善。同時有效防止了私拉亂接。

變壓器及其配套設備減少，高壓線路分支減少，線路的故障率降低，供電可靠性得到了提高。同時維護工作量和費用相應減少。

實現了對單井用電計量考核和遠方監控、集抄，利于生產管理和節能統計，提高了管理水平。

2.3 能耗分析

由于群集油井負荷的峰、谷互相交錯，很少出現所有油井負荷同時達到峰值或谷值的情況，因此利用這一特點可以在提高電壓等級的基礎上，選擇1臺大容量的變壓器同時向 10～20口油井供電，以減小變壓器容量裕度，提高變壓器的負載率，降低損耗。

兩種供電方案下年損耗電量計算和比較

假定油井年工作時間T=8000h，對10口油井采用兩種不同的供電方式，對變壓器、低壓線路、電動機的有功電量損耗值進行計算，可得出油井集中控制供電方案較原有單變單井供電模式下的年節電量，結果如表1所示。

表1

3 集中控制供電關鍵技術研究

3.1 現狀

以防竊電為主的油井 1.14kV拖動裝置開發于1992年，主要裝置由 1.14kV電機和拖動控制箱合二為一整體，適用于單井安裝。先后運用于河南、中原、遼河、長慶、勝利等油田。十多年來，由于沒能確定一套合適的1.14kV系統絕緣配合參數，缺少系統設計、裝置制造、功能設定的技術標準，雖經多次改進，仍然存在著絕緣強度低、元器件性能差、功能簡單等技術缺陷，有的使用達不到電壓要求的替代元件，經常發生元器件擊穿、燒毀等故障，安全可靠性差，節能效果不理想。

3.2 研究技術路線、目標

采用集中控制供電技術對油井 1.14kV供配電系統進行研究設計，實現油井供電的集中化管理，運用1.14kV供電及無功的快速補償技術，實現油井配電線路損耗下降40%、配電室功率因數達到0.85以上、油井供配電系統綜合節電率15%、供電可靠率提高70%的技術目標，從而提高機采系統效率。

3.3 研究內容

1）集中控制供電技術的開發首先要確定油井配電電壓的等級和絕緣配合技術參數，在此基礎上制定《油井集中控制供電系統設計技術規范》、《油井集中控制配電裝置技術條件》等中石化企業標準。設計技術規范通過對于高壓線路的接入、變壓器容量的確定、配電室的建設、控制裝置的選配、供電范圍的確定、電纜的選定、電纜的敷設等方面制定技術規范，達到標準化設計、規范化建設。裝置制造的技術標準通過對集中控制裝置的電氣參數、裝置的功能、電器性能、主要元器件開發、試驗標準等方面為產品制造提出技術規范和標準，使產品達到標準化生產。

2）根據裝置制造技術標準中確定的主要電器元件的額定絕緣電壓和絕緣配合間隙，研究開發出了1.14kV真空接觸器、空氣開關等主要元器件，研制了固定式和抽出式兩種油井集中控制供電裝置的定型配置，提高了元件和裝置的安全可靠性，完善了裝置的功能，達到模塊化組合。

3）研究開發1.14kV油田專用擠包絕緣電力電纜和電纜護層保護器，提高了絕緣電壓，具有較強的絕緣強度和抗干擾能力，雙重防水絕緣結構具有良好的阻水性，電纜深埋敷設具有較高的安全性和可靠性。電纜護層保護器則限制電纜金屬護層上的感應過電壓，確保護層絕緣不被過電壓擊穿。

4）智能型多功能監控器的開發實現了電機綜合保護、電參數的測量及電能計量的多功能組合，并留有RS485數據遠傳接口可組成后臺管理。

5）根據油井集中控制總運行負荷為瞬間波動的特點，研發了以無功功率為控制物理量、以用戶設定的功率因數為投切參考限量的動態補償裝置，使無功補償效果更能適合油井動態變化。

3.4 1.14kV集中控制供電系統的技術特點

確定了 1.14kV供電系統的絕緣配合電氣參數值和系統設計、建設、制造的技術標準。采用1.14kV電壓等級中性點不接地方式具有很好的防竊電效果。油井集中控制供電具有良好的節電效果。油井的反電勢可以在集控裝置的母線上進行交換，提高了電網的穩定性。

4 應用效果分析及預測

4.1 優化油井配電線路

河南油田古城油礦 35kV油井南干線的高壓部分、低壓部分及油井電動機控制部分有80%線路建造于1988年，一對一供電的變壓器共有52臺，其中39臺為S7系列高耗能型，控制油井67口。線路分支多，變壓器在線數量多，負載率僅為22%左右，變損量大；油井電動機功率因數僅為 0.3左右，供配電線路損耗大；在用 52組閥式避雷器安全性能差，易擊穿爆炸，造成線路跳閘次數多；單井無計量裝置。

在南干線的67口油井中有50口油井可集中控制，優化線路后，新建集中控制配電室5座，拆除變壓器35臺，其中淘汰了30臺S7型變壓器。優化改造后供配電線路損耗下降了59%，供電可靠性提高了87%。

4.2 節能技術改造

2007年河南油田選擇在采油一廠江河及下二門區域的73口油井上進行節能改造試點。共建設集中控制室6座，安裝S11變壓器 7臺（其中1臺備用），總容量3230kVA，對73口油井實現了集中控制，變壓器減少65臺，容量減少2930 kVA；部分電機選用了1.14kV永磁同步電機；同時對地處低洼地帶的15臺電機進行防洪升高處理；低壓線路采用1.14kV電纜深埋，供電半徑平均為0.256km。

經測試油井變壓器損耗率下降3.47個百分點，單井功率因數由原來的0.3～0.4提高到0.9以上，綜合節電率達到10%以上（不含高壓線路）。同時高壓線路和變電設備的減少，還降低了線路故障率，提高了供電可靠性和油井生產時率；減少了線路檢修和維護費用，綜合效益明顯。

4.3 消除配電系統隱患

2009年中原油田采油三廠完成8座計量站的電氣隱患治理改造，共計拆除淘汰型變壓器67臺；新安裝S11型節能變壓器12臺；安裝撬裝集控配電室12座。改造后消除了電氣隱患，提高了供電可靠性，供配電系統綜合節電率16.38%，供配電系統損耗下降48.50%。

4.4 減少產能建設投資

2010年河南油田井樓油田七區老區新建加密油井15口，根據加密油井的井位產能方案需要新建計量站一座，由于計量站周邊加密井的離站距離均不超過400m，滿足集中控制供電條件的要求，因此該15口油井采用 1.14kV集中控制供電方案進行設計建設。新建配電室1座，安裝S11 -400kVA 35/1.14kV變壓器1臺，安裝1.14V集控柜7面，敷設1.2/2kV 3×16電力電纜 2.25km，控制油井 15口。本次產能建設的15口油井應用集中控制技術，減少了油井供電變壓器10余臺，減少建設費用30余萬元，節約投資30%～40%。相對老的供電方式比較，還可以年減少油井配電線路損耗6萬kW·h，同時減少了高壓線路及變壓器的維護費用每年約10萬元。

5 結論

單變單井（異步電機）分散供電方式適用于不同時期開發建設的油井和彼此距離較遠的零散井生產。對于油井密集區域且現有供配電設施可靠性差而需要更新改造、新的產能區塊投產建設供電設施時，采用以提高配電電壓、減少變壓器臺數為主的集節能、供電、管理為一體的“集中控制供電”方式，可以實現節電降耗、提高供電可靠性、提供機采系統效率的明顯效果。

[1]張耀強,于傳聚.油田油井高效節能供電方案研究[J].電力需求側管理,2006(6).