基于共直流母線的多油井變頻群控系統節能分析

焦裕璽盧正通肖志勇劉向東張素梅

（1.山東科技大學電氣與自動化工程學院；2.勝利油田技術檢測中心）

基于共直流母線的多油井變頻群控系統節能分析

焦裕璽1盧正通1肖志勇2劉向東2張素梅2

（1.山東科技大學電氣與自動化工程學院；2.勝利油田技術檢測中心）

抽油機是油田機采系統主要能耗設備之一，針對抽油機存在的嚴重倒發電問題，將多臺抽油機變頻控制終端配掛在直流母線上，實現油區內多臺抽油機倒發電能的互饋共享。以某油田對該系統的實際應用測試為例，對比了使用該技術前后的節能效果。結果表明，該系統有效地降低了投資成本，提高了系統功率因數，實現了節能降耗。

抽油機倒發電直流母線群控系統變頻控制節能分析

在油田生產過程中，抽油機井除了常規的配電方式外，新型控制方式逐步投入使用，例如共交流母線和共直流母線群控系統。對共直流母線的多油井變頻系統進行了設計與開發，由于缺少現場測試數據的支撐，而且在系統可靠性以及對電網穩定運行產生的影響等方面也沒有明確的評價。因此，結合某油田采油廠生產實際，對正常生產油井進行了共直流母線改造工作，通過測試了解共直流母線系統投入機采系統前后的能耗變化情況，掌握了共直流母線技術的性能、特點及優勢，為油田開展類似的改造工作提供理論和現場數據支撐。

1　系統原理

根據直流母線供電原理，設計了一種實現多臺抽油機群控的變頻節能裝置［1］。該技術的特點為：利用變壓器對電網電壓進行降壓處理，再通過整流濾波裝置把交流電轉變為600V的直流電，將多臺抽油機變頻控制終端系統配掛在直流母線上進行群控，實現群控網絡上多臺抽油機倒發電能的循環共享，既減小了網側的諧波污染又提高了系統的功率因數，實現了節能減排的目的（圖1）。

2　主要研究內容

測試某油田單獨運行的4口油井，由4臺變壓器供電，油井平均距離約為300m，改造前為“一拖一”單井，改造后為“一拖四”共直流群控系統，分別對使用共直流母線群控系統前后的油井運行情況進行了測試與分析，其中電參數的測試項目主要包括了變壓器二次側以及抽油機單井的電壓、電流、有功功率、功率因數；除電參數的測試以外，對每口油井的產液量進行了同步計量。共直流群控系統使用前，各單井均處于工頻運行狀態；共直流群控系統使用后，各單井根據工況，分別運行于不同頻率。根據測試結果，從三個方面對共直流母線使用情況進行了分析：各單井運行情況；變壓器運行情況；群控系統運行情況。

圖1　系統原理示意圖

3　節能分析

3.1單井運行情況分析

使用群控系統前后，單井產液量及電參數的測試對比見表1。可以看出：

1）油井1改造前為工頻運行，改造后為變頻50Hz運行，油井的沖速、產液量未發生變化，但由于使用了逆變單元，其中電力電子器件在運行中會產生損耗，因此單井的有功功率比未使用逆變單元時要略微升高。

2）油井2改前為工頻運行，改后為變頻48Hz運行。在頻率48Hz運行時，電動機轉速變化不大，對油井沖速的影響有限，所以產液量變化不明顯，運行電流稍有下降，有功功率降低但變化不大。

3）油井3和油井4，由于改后運行頻率變化較大，因此沖速降低明顯。從表1可以看出，這2口井改后產液量雖稍有降低，但變化量小，但有功功率明顯降低，節能效果顯著。由此可見，對于群控系統，使用變頻調速是實現節能的前提條件，就是實現電動機與泵的最佳配合。

表1　系統改造前后各單井運行情況對比

3.2變壓器運行情況分析

改造前后，變壓器二次側的相關電參數及容量統計情況見表2。可以看出共直流母線群控系統對變壓器運行方面的影響：

1）實現了變壓器的有效降容、減少容量費的投入。使用群控系統前，4口油井分別使用50kVA變壓器，總容量200kVA，使用群控系統后，僅使用1臺100kVA變壓器，總容量費下降50%。

2）改造前，為了滿足電動機的啟動以及過載要求，往往選取比較大的電動機與變壓器。但實際運行中，油井的平均負荷較小，因此抽油機電動機、變壓器的負載率比較低，不利于設備的經濟運行。使用群控系統后，幾臺抽油機可以共用1臺變壓器，變壓器的負載率提高，設備運行更加經濟。

3）改造后，在保持各油井產液量不變并運行于變頻狀態，各油井的總有功功率明顯低于“一拖一”單井運行方式產生的有功功率，有功節電率約14%，具有明顯的節能效果。

4）由于群控系統整流單元，使用群控系統時，變壓器的功率因數明顯高于未使用群控系統，對整個群控井群以及配網都是有益的。

表2　系統改造前后變壓器二次側數據匯總

3.3群控系統運行情況

根據單井及變壓器二次側的測試結果，得到群控系統使用前后的損耗對比情況（表3），由于群控系統中間環節較多，相應各環節的損耗較高，因此系統整體損耗要高于普通工頻運行產生的損耗，但由于群控系統將抽油機的倒發電能量利用，能夠實現油井的實時變頻控制，因此系統的節能效果明顯。測試過程中整流單元入端（變壓器二次側）及單井逆變單元的有功功率波形如圖2、圖3、圖4所示。可以看出，雖然有2口井有不同程度的倒發電情況，但在整流單元的入端均未能檢測到電能的回饋，說明群控系統可以很好地解決抽油機倒發電問題。

表3　系統改造前后功率損耗情況匯總

圖2　油井1功率曲線

圖3　油井3功率曲線

圖4　整流單元入端的功率曲線

4　結論

采用直流母線群控技術，避開多口油井大電流的峰值疊加，互相避峰填谷，大幅度降低母線電流，使總容量降低了50%以上，減少了配電變壓器的使用數量，減少了容量費的成本支出；直流輸電線路壓降較小，電能損耗較低，且直流輸電容量約為交流的2倍左右，僅用2根電纜替代交流架空線路需用的3根電纜，可節約資金30%以上；處于電動運行的抽油機能夠汲取處于倒發電狀態下抽油機發出的電能，避免了倒發電量回饋至電網，省去饋能處理單元，降低各單井變頻終端投資約20%。實現了節約能源、降低成本的目標，該節能研究成果具有推廣與利用價值。

［1］趙智，鮑兵，趙中山.基于采油系統的公共直流母線變頻器結構分析及應用［J］.電氣應用，2008（14）：24-26.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.003.003

2014-12-29）

焦裕璽，山東科技大學在讀碩士研究生，研究方向為控制理論與控制工程，E-mail：544149814@qq.com，地址：山東省東營市西城區濟南路2號勝利油田技術檢測中心，257000。