油田電力配變網絡優化及節能分析

楊 彬黃 嵩徐 濤

1.中國石油新疆油田分公司 重油開發公司 （新疆 克拉瑪依 834000）2.中國石油工程設計有限公司 新疆油建公司 （新疆 克拉瑪依 834000）

油田電力配變網絡優化及節能分析

楊 彬1黃 嵩1徐 濤2

1.中國石油新疆油田分公司 重油開發公司 （新疆 克拉瑪依 834000）2.中國石油工程設計有限公司 新疆油建公司 （新疆 克拉瑪依 834000）

針對新疆油田六、九區配電電網與負荷的不合理分配、配電變壓器負荷率偏低、網損率不達標等現狀，分別從提高變壓器的負載率、運行效率、變壓器優化組合配置和應用新型節能變壓器等方面進行分析并提出具體改進措施。油區變壓器的改造實踐效果表明，相應措施均取得了可觀的經濟效益，達到了節能目的，對油田油區電網大規模改造和經濟運行及管理具有重要意義。

配變網絡 配置優化 節能

中國石油新疆油田分公司（以下簡稱新疆油田）六、九區屬于稠油區塊，油田生產發展模式為滾動開發，稠油開發周期短，決定了配套電力設施的建設預留容量余地大，增容不增變。配網與負荷分配不合理、配電負荷率偏低、網損率不達標的問題造成了油田配電線路功率因素過低、線損過大，使配電網成為油田自身的耗能大戶。針對新疆油田六、九區電力系統現狀，提出了優化電力配變網絡，調容增效，降低輸電損失；優化配置無功補償，達到提高輸配電效率，降低原油生產成本的目的。

對油區配電變壓器進行調容增效、優化運行就是指在保證電網安全運行和電壓質量的基礎上，進行變壓器優化配置、減變調容、無功功率補償,使配變自耗減少，提高變壓器負載率、減少其空載損耗。六、九區油田電網配變優化運行節能降耗措施的推進，經過一年多的實驗改造，電網的經濟運行能力得到提高，注汽系統噸汽耗電、采油噸液耗電都有了一定的下降。

1 設備概況及用電負荷情況

新疆油田六、九區稠油油藏，其主要分布在上侏羅統齊古組。六、九區齊古組淺層稠油油藏自1984年發現并投入開發。隨著稠油開采規模的不斷擴大和開井數的不斷下降，稠油開采的成本壓力越來越大。以2010年度為例，消耗電量約占公司全年生產成本的45%，其中電耗占稠油開采能耗的15%左右，相應的供配電設施建設也暴露出許多問題。因此對電力系統的節電降耗技術進行研究,提高六、九區電網經濟運行能力,降低稠油熱采的電耗勢在必行。

1.1 油區用電負荷運行特點

稠油開采用電負荷根據運行特點可分為3大類。①抽油機負荷[1]。此類負荷是一種依抽油機的沖程作周期性變化，即在一個周期內每時每刻的負荷是不同的，就重油公司而言這類負荷約占生產用電總負荷的43%。②連續性負荷。包括各種水泵、油泵在內的各類連續性負荷的運行特點是電動機起動后負荷基本不變，就重油公司而言這類負荷約占生產用電總負荷的53%以上。③照明、生活類負荷。此類負荷也是基本不變的。

稠油開采過程中，機械采油占公司原油生產井數的95%以上，油田配電網復雜。由于油田設備多采用感應電動機作動力，特別是抽油機電動機在交變負荷狀態下運行，其工作效率和功率因數很低，由此導致配電網功率因數很低。其自然功率因數一般都在0.45以下。在同等有功負荷的情況下，隨著功率因數的降低，配電線路電壓降增加，其電流有效值成倍增長，這不僅加大了配電線路及變壓器的損耗，也影響了配電系統的供電質量及供電能力。大量無功電流會加重輸電線路和變壓器的負荷，產生無功網損，網損率在10%～14%，影響油田電網系統的經濟性[2，3]。通過對全公司機械采油配電線路的系統調查發現，配電網在運行中主要存在高耗低效的問題。

1.2 機采線路出口功率因數偏低原因分析

抽測145口結果表明，抽油機電機負載率25%，平均功率因數0.317，電能浪費很大。電網電容器無功補償不足，使得用戶端功率因數明顯偏低。

1.3 電網損耗率偏高原因分析

（1）負載變壓器平均負載率21.77%,明顯偏低；

（2）SL7、S7系列高耗低效型配電變壓器多達247臺；

（3）配電變壓器與實際負荷相差過大，使變壓器運行遠離其經濟負荷區，造成變壓器空載損耗過大，其空載損耗占總損耗的70%～80%。

2 油區電網配變節能降耗研究

2.1 變壓器的負載與損耗的關系

變壓器經濟運行是在傳輸電量相同的條件下，通過擇優選取最佳運行方式和調整負載，使變壓器電能損失最低。所以，變壓器經濟運行需要加強供、用電科學管理，即可達到節電和提高功率因數的目的。在電力系統中變壓器是利用效率最高的電氣設備之一，一般中、小變壓器都可達96%～98%。在電力系統中，累積變壓器的總損耗可占20%～25%。變壓器的有功功率損耗是由空載損耗和負載損耗2部分組成的。空載損耗是一個常數，它不隨變壓器負載的變化而變化，而負載損耗則與變壓器負載的平方成正比[4]。

2.2 空載損耗IO

當變壓器在額定電壓下二次側空載時，一次繞組中通過的電流IO稱為空載電流。因為空載電流IO僅起勵磁作用，所以又稱勵磁電流。空載損耗包括鐵芯中磁滯和渦流損耗及空載電流在初級線圈電阻上的損耗，前者稱為鐵損，后者稱為銅損。由于空載電流很小，后者可以略去不計，因此，空載損耗主要指鐵損[5～7]。

2.3 負載損耗PK

負載損耗是指變壓器初、次級線圈中電流在電阻上產生的銅損耗及勵磁電流在勵磁電阻上產生的鐵損耗。當電流為額定電流時，后者很小，可以不計，故主要是電流在初、次級線圈電阻上的銅損。把變壓器的2次繞組短路，在1次繞組額定分接頭位置上通入額定電流，此時電力變壓器所消耗的功率PK稱為負載損耗[5]。

2.4 配電變壓器的經濟運行及容量的選擇[8]

（1）合理選擇變壓器的類型，即使用節能型變壓器，即S11系列以上的變壓器。

（2）合理選擇變壓器容量Se。

（3）對于安裝有2臺變壓器的場所，應根據變壓器現有的技術參數，結合實際負載情況，合理選擇變壓器運行方式，能夠實現變壓器的經濟運行，減少變壓器的有功功率損耗。

（4）對于配電變壓器容量的選擇，根據用電負載的特殊情況，應該結合實際，通過對計算變壓器的有功電能損耗進行比較，合理選擇配電變壓器的容量及臺數。

3 油配變節能降耗的技術措施

針對新疆油田九區生產現場目前油區配變輕載或空載現象普遍，功率因素極低，運行非常不經濟的情況，通過對現場進行調查及跟蹤研究，在滿足目前技術要求的前提下，本著少投入、減少單耗、經濟運行、安全生產等原則，改善配變的運行方式。對負載率比較低的配變，采取“撤、換、并、停”等方法，使其負載率提高到最佳值，從而改善電網的自然功率因數。2010年、2011年從變壓器調容、高壓無功補償、淘汰高耗能變壓器等方面陸續進行改造。

3.1 優化調整負荷，降低銅損

用電負荷波動幅度與線路損耗功率有關。在相同的用電條件下,用電負荷平穩損耗電量小,用電負荷波動幅度大,線路損耗也大。因此,合理調整負荷,可以降低損耗,提高負荷率。包括：①提高變壓器的經濟運行效率,使變壓器的損耗最小、效率最高。一般情況下,變壓器的經濟負荷在變壓器額定容量的70%～75%。②及時停用輕載或空載變壓器,以適應負荷的變化,有效減少電能的損耗。

3.1.1 配變調整減容依據

造成油田電網功率因數偏低、損耗大主要有以下幾方面的原因：①油田按“滾動模式”開發不可能在開發初期完全摸清地下情況，無法預測未來負荷狀況，因此無法對開發后期的配電網絡進行整體規劃；②由油田電網自身特點決定的，油田電網中的感應電動機和配電變壓器數量龐大，輕載現象嚴重，決定了電網自然運行功率因數低（見表1）。

表1 配電網實際運行與計算機計算數據比較

從節能降耗觀點來看，目前油田配電網中的變壓器存在著2方面的問題，多數配變不在其經濟負荷區運行，調整配變容量使工作在經濟負荷區或更換節能變壓器是油田配電網節能降耗的途徑之一。

3.1.2 具體措施

為降低噸油耗電成本，提高電網運行的經濟性、減少系統損耗、降低線損率（網損率）。根據公司整體安排，先后對6條6.3kV線路實施配變調整。2010年對六區北線進行了變壓器調容改造，減容4 005 kVA。2011年，九井一線、九井三線、六東中、西線、九三線共計5條6.3kV線路上變壓器進行負荷優化調整。減容23 797kVA，減少S7系列變壓器210臺。

考慮到今后躺扶井，計關井需要恢復，因此主要采用變壓器調整合并方式進行，盡量以網狀供電，低壓線路供電半徑小于500m,將現有負荷配置到合并變壓器上，負載率設計70%～75%左右，留余量20%，既要提高經濟效益，又要保留現有抽油機供電。2a累計減容26 461kVA，經濟效益顯著。

調整后的有功電量對比分析數據如表2所示。從表2可看出，調整/更換配變容量使其工作于經濟負荷區，不僅降低了配變損耗，而且也使線損降低。這主要是由于調整/更換配變容量后，變壓器所消耗的無功功率也相應減少，因而導致線損降低。從這一點看來，把配變更換為節能型變壓器后會使線損的降低更明顯。

3.1.3 經濟效益估算

（1）容量費計算：

26 461kVA×19.66 元/月=52.02 萬元/月

（2）自耗電計算：

26 461kVA×2%×24h×30d×0.58 元=22 萬元/月

（3）整體效益：

通過分析,6條線路年減少運行費用合計888.24萬元,其中基本容量費52.02元×12月=624.24萬元；自耗電量電費：22萬元×12月=264萬元。

表2 調整后有功電量對比統計

3.2 應用非晶合金節能變壓器，降低變壓器鐵損

變壓器鐵損是一種固定的損耗，主要與變壓器自身特性有關，因此，為降低變壓器的鐵損，推廣高效率、低損耗的節能型變壓器意義明顯。設備更新的目的不單純是消除其有形磨損，更是為了消除其無形磨損。只有不斷更新的途徑才能從根本上使設備損耗降低、效率提高，改善技術落后狀況[1]。更新變壓器必然會帶來有功電量和無功電量的節約。但要增加投資，這里也存在一個回收年限的問題。變壓器不是損壞后才更新，而是老化到一定程度，還要有一定剩值時就可以更新。變壓器廠家對各種不同型式、不同容量的變壓器的使用壽命都有規定，一般為20a。使用單位按這一規定年限提取設備折舊費，并進行變壓器更新。

3.2.1 現狀分析

油區投產初期，變壓器設計余量大，部分供熱站所帶的集輸站、低壓鍋爐房等早已廢棄多年。采用節能變壓器，逐步淘汰老舊的高耗能變壓器。淘汰下來的變壓器由廠家回收、拆解利用，抵消部分改造成本。非晶合金系列變壓器空載損耗較S7系列平均降低34%，負載損耗平均降低51%。年運行成本較S7系列平均下降40%～45%。S7系列變壓器運行中負載率低，空載損耗嚴重，噪聲振動大，內部絕緣降低，已失去大修意義（見表3）。

公司5#供熱站現有配電變壓器4×1 600kVA，總變容量6 400kVA，日常運行2臺備用2臺，運行變容量3 200kVA。經核實近幾年，該站鍋爐運行最多在9臺次左右，實際最大運行負荷在1 700kW左右，造成變壓器嚴重偏移其經濟負荷區，且SL7型高耗能變壓器，空載、負載損耗大，負載能力小。供熱站類似情況還有6#、7#、9#供熱站，采油作業區有在用SL7型高耗能變壓器280余臺。

3.2.2 非晶合金電力變壓器的性能特點

非晶合金變壓器是采用新型導磁材料—非晶合金帶材來制作鐵心的新型高效節能變壓器。它是以鐵、硼、硅、鈷和碳等元素為原料，用急速冷卻等特殊工藝使內部原子呈現無序化排列的合金。

非晶合金變壓器的最突出的特點就是空載損耗和空載電流非常小，SH15型非晶變比用硅鋼片作為鐵心的S9型變壓器空載損耗下降70%以上，空載電流下降約80%，是目前節能效果非常好的配電變壓器。

全充油密封型非晶合金電力變壓器的原理同密封型電力變壓器。非晶合金是一種向同性的軟磁材料，磁化功率小，不存在阻礙疇壁移動的結構缺陷，厚度極薄，只有0.027mm，填充系數相應變小，只有0.75～0.8，電阻率很高，是硅鋼板的 3～6倍，硬度是硅鋼片的5倍，非晶合金材料對應力特別敏感。SH15-M-30-1600/6-10系列產品負載損耗在GB/T 6451標準值基礎上下降15%，空載損耗在GB/T 6451標準組I值基礎上下降70%。

3.2.3 具體措施

根據上述分析，應用SBH15-M非晶合金系列節能變壓器，對 5#、6#、7#、9# 供熱站 1 600kVA、1 250kVA 和 油 區 160kVA、125kVA、100kVA 等SL7、S7型配電變壓器進行節能、節電技術改造,提高設備新度系數、運行效率；降低變壓器損耗及電網線路損耗，充分挖掘油區電網的節能潛力。共計應用55臺，其中供熱站站區配變15臺，采油區隊機采配變40臺（見表4）。

3.2.4 效益估算

（1）基本容量費：

6 200kVA×19.66元/月×12月=146.3萬元；

表3 供熱站變壓器配置情況

表4 5#供熱站變壓器改造前后后的實測運行數據

（2）變壓器空載、負載損耗電費 ：

8 760h×3%×0.58 元/kVA×6 200kVA×0.534 2=50.5萬元。

投資301萬元，年直接降低費用196.8萬元，1.5a可收回全部投資。

4 科學管理、高效運行

電網配變經濟運行管理是個系統性的工作，如果只從部分或局部開展工作，是達不到經濟運行目的，因而要提高電網的經濟運行水平，必須系統地分析管理，不同的問題提出不同的有效方案，采取不同的措施，通過加強科學的系統管理，來實現變壓器經濟運行的目的。

（1）努力改變只保產量不問效益的開發經營管理模式和粗放的管理方法，細化噸油耗電成本核算，優化配網配變結構，適時開展效益評價工作，實現投資效益最大化的目標。

（2）建立有技術負責人參加的線損管理隊伍，定期進行線損分析，及時制定降損措施實施計劃；推廣理論線損在線測量，及時掌握網損分布和薄弱環節；制定切實可行的網損率計劃指標。

（3）加強用電的效能監察，完善考核約束和激勵機制，及時調整設備運行工況。

（4）搞好電網改造工作，使網絡布局趨于合理，運行處于經濟狀態；加強計量管理，落實有關規程。

5 應用效果評價

2010年、2011年，在公司電力系統節能改造項目組及前線各單位的共同努力下，通過對電網各種參數的測試，開展線損分析，制定最佳的降耗措施取得了良好的經濟、社會效益。

推廣應用了適合油田電網現狀的配變調容、更新高耗能變壓器。2a共計減容26 461kVA，油區變容量由184 247kVA減少到 151 586 kVA；拆除S7系列變壓器210臺，更新了55臺非晶合金節能變壓器，提高了設備新度系數。通過上述技術研究和推廣應用，新疆油田六、九區電網經濟運行得到大幅的改觀。

在經濟效益方面，2010、2011年油田配變優化調整共計投入858萬，截止2011年節約的電費為432.4萬元。具體如下：

（1）變壓器調整減容，節約基本電費支出352.3萬元。

式中 J—節約基本電費；

P—基本容量費；

R—減少的變容量；

T—時間（改造完成時間不同）。

J1=4 005kVA×23 元/kVA/月×14 月=129(萬元)

J2=19 876kVA×23 元/kVA/月×4 月=182.9(萬元)

J3=8 780kVA×23 元/kVA/月×2 月=40.4(萬元)

J=J1+J2+J3=352.3（萬元）

（2）變壓器負荷損耗、空載損耗節約電費80.1萬元

式中 Q—自耗電費；

D—電費單價；

R—減少的變容量；

T—時間（改造完成時間不同）。

2%—變壓器自耗率；

綜上所述,2a來節約費用432.4萬元。

在社會效益方面，通過六、九區電網配變綜合節電措施的實施，優化現有配置，調容增效，節約了寶貴的電力資源，改善了環境，形成了一套較為成熟的稠油熱采節電方案，符合建立節約型社會、節約型企業的宗旨。

6 結論與建議

（1）降損節電是復雜而艱巨的工作，既要抓好各個環節具體的降損措施，又要從制度上加強管理。提高管理隊伍素質，定期對線損進行分線統計分析，要有計劃地制定降損措施；推廣線損在線測量，及時掌握網損分布和薄弱環節，查找出線損升、降的原因，確立今后降損的主攻方向。

（2）降低損耗的方式多種多樣，應按照油區不同時期的特點采取不同的降損措施。電網降損節電、經濟運行是個系統性的工作，如果只從單方面或局部開展工作，就達不到經濟運行目的，必須系統地持續進行，不同的問題采取不同方案措施。

（3）在電力系統運行中，功率損耗和電能損耗不可避免，但應盡量采取措施使它降低到最低程度，這從節省資源，降低電能成本，提高設備利用率等方面都是必要的。對六九區電網綜合節電降耗的一系列改造，油區電網的整體運行效率得到有效改觀。對于確保重油可持續發展具有重要意義，是油田稠油熱采企業確保實現節能減排、直接獲取經濟效益的有效途徑。

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In view of the status of power distribution network at No.6 and No.9 block of Xinjiang Oilfield like insensible allocation of power distribution network and load,the lower load rate of distribution transformer and the rate of net losses not reaching the standard,the analysis is carried out from the following aspects such as improving the load factor,the running efficiency,and the optimization grouping allocation of transformers,and applying new types of energy-saving transformers,together with some suggestion of concrete improving measures.The result of reform practice for oilfield transformers indicates that corresponding measures have earned remarkable economic benefits,reached the energy-saving goal,and has great significance in the large-scale reform of oilfield power network,economic operation and management.

power distribution network;collocation optimization;energy-saving

楊彬（1975-），男，工程師，主要從事油田電力安全運行及節電增效工作。

??尉立崗

2012-03-01▏