智能無功補償技術在蘇北油田的應用

高尤（中國石油化工集團華東分公司）

智能無功補償技術在蘇北油田的應用

高尤（中國石油化工集團華東分公司）

抽油機電動機在實際運行中負載率和系統效率不高，致使供配電系統功率因數偏低，增加了內部低壓電網線路損耗。目前普遍采用的補償方式是對單臺抽油機終端進行固定電容式無功補償，這種補償方式補償效果較差。智能無功補償技術根據無功功率需求量來決定電容的補償量，有效解決了電容容量與抽油機電動機運行工況不適應的問題。該技術在采油廠的試驗應用驗證了其具有很好的節能效果，有著廣闊的發展前景。

抽油機電動機線路損耗無功補償

在華東分公司采油廠的原油生產中，機械采油的電力消耗是最主要的能耗之一，根據報表數據，抽油機負荷[1]約占生產用電負荷的50%以上，由于抽油機電動機的運行與負載的變化很難處于最佳配置中，使得抽油機電動機在實際運行中負載率低下，致使整個油區低壓配電系統的功率因數偏低，電網損耗加大。為提高系統功率因數，華東分公司采油廠抽油機配電柜采用了觸點式固定電容無功補償裝置，但在實際運行中由于電容容量固定，欠補償現象較為普遍，補償效果較差，因此研究新技術克服這種缺陷是油田企業的熱點問題。

1 無功補償技術

1.1無功補償的基本原理

電網中的電力負荷如電動機、變壓器等，大部分屬于感性負荷，在運行過程中需向這些設備提供相應的無功功率。無功補償是指在電網中安裝并聯電容器等無功補償設備，提供感性負載所消耗的無功功率，減少電網電源向感性負荷提供由線路輸送的無功功率，由于減少了無功功率在電網中的流動，從而可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗[2]。

在實際的電力系統中，大部分負載為電動機。包括異步電動機在內的絕大部分電器設備的等效電路可以看作電阻R與電感L串聯的電路，其功率因數為：

式中，XL=ωL。給R、L電路并聯接入電容C以后，等效電路如圖1a所示。該電路的電流方程為：

由圖1b的向量圖可知，并聯電容后電壓U與I的相位差變小了，即供電回路的功率因數提高了。

圖1 并聯電容器補償無功功率的電路和向量圖

1.2功率因數與功率損耗的關系

抽油機負荷是變化極大的連續周期性負荷，抽油機在一個沖程內有兩個死點，抽油機停車后再啟動時，一般是從兩個死點中負載較大的死點開始啟動，因此要求抽油機電動機具有較大的啟動轉矩。抽油機負載特點決定選擇電動機時，必須按最大扭矩選配電動機，這無疑加劇了“大馬拉小車”現象，使得電動機長期在低負荷下運行，電動機負載率低又嚴重影響電動機的運行效率。在這種情況下，機采系統的平均功率因數水平較低，網損相當嚴重。

抽油機在下沖程接近下死點的過程中，由于重力作用、慣性影響，抽油機負載會拖動電動機的轉子沿著旋轉磁場方向旋轉，并使其轉速超過同步轉速，電機的轉差率變為負值，此時，電動機已不再向外輸出機械功率，而是將機械能轉化成電能，成為了“發電機”。由于電動機在抽油機負載的拖動下轉速不定，其所發電的頻率和相位都不能達到電網要求，從而會“污染”電網，造成電網供電不穩定，又會對電動機的正常運轉產生不良影響。

根據資料統計[3]，循環在工礦企業配電網中的無功功率相當于有功功率值的65%以上，由此造成的損耗極為可觀。有功負載一定，在功率因數下降以后，由無功功率引起的功率損耗變化曲線見圖2。

圖2 功率損耗變化曲線

從圖2中可見，有功損耗是以功率因數為1時的損耗基值來表示的。當功率因數從1降到0.8時，有功損耗增加不大；當降到0.6時，有功損耗接近功率因數為1時有功損耗的3倍；當降到0.5時，有功損耗接近功率因數為1時有功損耗的4倍；當降到0.4時，有功損耗接近功率因數為1時有功損耗的6倍以上。

2012年4月中石化節能監測中心對華東分公司采油廠的73口油井進行了機采系統效率測試，平均功率因數為0.425，合格率54.79%（功率因數大于0.4為標準指標），其中73臺抽油機電動機的功率因數統計見表1。

表1 華東分公司采油廠機采系統電動機功率因數測試數據

根據表1，功率因數低于標準值0.4的油井共有33口，其中3臺抽油機電動機的功率因數過低，小于0.2，41口合格井中高功率因數電動機所占比例較小，為16.44%，合計12臺，可以看出華東分公司采油廠電動機功率因數水平不高，低壓線路的損耗較大。

2 智能無功補償技術的應用

華東分公司采油廠于2012年9月選擇草32井作為試驗井，該井由1臺容量為100 kVA的變壓器拖載，拆除了草32井原有配電柜，安裝了1臺總容量為40 kvar的DK-H型智能無功自動補償柜[4]。在20天的時間內跟蹤測試其電壓、功率因數，并進行統計計算和分析，對安裝無功自動補償柜前后的數據進行比較分析，確定其實際效果（草32井原配電柜安裝了一塊容量為16 kvar的固定式電容器），見表2。

表2 草32井智能無功補償現場應用情況

通過對比，電動機功率因數由0.282上升至0.91，無功功率由24.4 kvar下降至3.74 kvar，同比下降84.66%，視在功率由25.43 kVA下降至9.05 kVA，同比下降64.41%。

3 節能效益分析

草32井與草平2井由1臺100 kVA變壓器拖載，安裝了智能無功補償柜，安裝前低壓側平均功率因數為0.604，安裝后低壓側平均功率因數為0.872。

3.1低壓線路損耗分析

假定線路有功負荷不變，補償前功率因數為cos ?1，補償后的功率因數為cos ?2，電壓變化忽略，根據公式：

變壓器低壓損耗降低:ΔP=[1-（0.604/0.872）2]× 100%=52%。

很顯然，采用智能無功補償后，低壓線路的損耗大幅下降。

該變壓器年售電量122 000 kWh，平均線損率3%，線損電量3660 kWh。智能補償投入后，線損下降率56.73%，則年節約電量1 903.2 kWh。

3.2變壓器損耗分析

取ΔPt為變壓器容量的2%，二次負荷電流為額定電流的40%，則ΔPto=（0.4）2×ΔPt=0.42× 100×0.02=0.32（kW）。安裝智能無功補償柜后降損率為52%，負載率取50%，則年節電量：0.32× 52%×24×365×40%=583.07（kWh）。那么，智能無功補償后低壓線路及變壓器年節電量合計為2 486.27 kWh。

3.3其他方面收益

華東分公司采油廠所轄油區，點多面廣，水網密布，電力供應主要依靠地方農電，辦理電力增容手續較為繁瑣，且費用較高（變壓器容量費每月28元/kVA）。智能無功補償技術能夠有效提高抽油機終端的功率因數，進而提高變壓器低壓側的平均功率因素，提高了電網中有功功率的輸送比例，增加了變壓器拖動抽油機的數量，同時在油田開發電網設計中減少了變壓器設計[4]容量，從而減少了投資。

草32井變壓器安裝前低壓側平均功率因數為0.604，安裝后低壓側平均功率因數為0.872，電網有功功率輸送比例提升了44.4%，在保證抽油機正常啟抽，且滿足抽油機交變載荷高峰期經濟運行的情況下可將變壓器容量降至80 kVA，年可節約資金6720元。

4 結論

現場應用表明，與傳統的觸點式固定容量無功補償方式相比，智能無功補償技術能夠實時跟蹤系統的無功功率需求量，并由此確定電容的投入值，從而實現“按需所補”，解決了無功功率的過補償，避免由此引起的過電壓，同時也能夠有效解決無功功率欠補償問題，從而達到較為理想的補償效果，有效解決了電容容量與抽油機運行工況不相適應的問題，功率因數最高可達0.9以上，系統運行效率提高，有著廣泛的發展前景。

[1]姚志.配電線路采用無功自動補償柜降低線路損耗的試驗及分析[J].寧夏電力,2004(2):84-85.

[2]李保君.智能無功補償技術在電力自動化中的應用分析[J].城市建設理論研究,2013(11):41-43.

[3]張友盛.關于電力自動化智能無功補償技術的探討[J].科技與生活,2012(19):15-16.

[4]陳睿.淺議電力自動化智能無功補償技術[J].硅谷, 2010(21):21-22.

10.3969/j.issn.2095-1493.2014.012.008

2014-04-20）

高尤，2010年畢業于常州大學（油氣儲運專業），從事油田生產節能管理工作，E-mail：646620792@qq.com，地址：江蘇省泰州市海陵區南通路99號中石化華東分公司采油廠裝備科，225300。