鉆井電網供電可靠性與節能技術研究

董建奇

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江 大慶 163413）

鉆井電網供電可靠性與節能技術研究

董建奇

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江 大慶 163413）

根據鉆井隊現場供電情況，研究應用鉆井高壓保護技術、大功率電動機軟啟動技術、動態無功功率補償技術、變頻動力系統調諧濾波技術、遠程在線電能狀態監測技術，形成一套鉆井安全供電技術方案，并提高鉆井供電線路帶載能力，達到節能降耗目的。

鉆井供電質量；無功補償；鉆井泵電機降壓啟動；電能在線監測

1 背景

大慶油田長垣地區年鉆調整井4000余口，主要由大慶鉆探工程公司擔負。鉆機供電方式為電網供電或柴油機供電。隨著節能降耗工作的開展，鉆機“油改電”的井隊不斷增加，大慶內部調整井主要依靠電網供電作動力。因此，供電質量安全可靠性對鉆井的保障作用日益突出與明顯。大慶油田電網密布，鉆井線路接入油田35kV高壓電網后，經過移動變電站主變壓器降壓后輸出兩條6kV供電回路,能夠滿足6個1000kW負荷的電動化鉆機使用。各鉆井隊并聯在同一條供電線路上。

鉆井生產情況表明，目前的鉆井井場供電存在以下問題：（1）電網局部供電緊張，引起鉆井現場供電質量下降。（2）供電設備容量不能充分利用，個別鉆井隊動用柴油機動力。（3）供電安全可靠性差，造成設備頻繁損壞。鉆井泵經常因啟動中過流，造成鉆井線路突然停電，降低設備使用壽命。（4）供電設備自動化程度不高，無電源質量控制措施。變頻設備產生大量諧波，造成控制系統失控，設備誤動作。（5）供電裝備性能落后。高壓保護柜中仍使用高壓跌落式熔斷器、繼電器等老式元器件,抗震動性能差，雨雪潮濕天操作危險，經常保護失效，保護越級，從而引起鉆井區域大面積停電。（6）鉆井隊用電不能實現單隊計量。目前沒有完善的高壓計量裝置,單隊鉆井隊電費僅憑估算,不利于節能與電費考核。為此，進行技術攻關與改進，解決鉆井供電可靠性差與電能浪費大的問題。

2 鉆井供電可靠性與節能實施方案

根據大慶油田常見井隊的供電配置方式，分別研究各項電能指標的質量控制與節能技術，如鉆井單井高壓保護與計量技術，無功補償，鉆井泵高壓軟啟動和鉆井調諧濾波技術。制造樣機，在圖1中所示位置處安裝，進行單獨試驗，不斷改進，在單井試驗中，達到鉆井安全供電質量標準；再在臨時鉆井供電變電站提供的一條線路上所帶的7個鉆井隊，根據每個鉆井隊現場設備配置情況，配套使用各項供電質量控制技術，現場試驗，達到鉆井線路供電質量，滿足鉆井需要。

圖1 鉆井現場電力供電系統示意圖

2.1 鉆井單井高壓保護與計量技術研究

將過去高壓跌落式保險進電改為采用隔離開關進電控制。將YZ202/302系列綜合微機保護裝置進行應用，它集保護、測量、控制、監測、通信于一體，做為鉆井井場6000V供電的主保護，具有過流、速斷、短路、斷相、接地等保護功能。通過科學合理的整定設置，不但保護可靠靈敏，而且不會頻繁動作，不會越級誤動作，把故障控制在故障單井，減少線路大面積斷電。裝置內安裝井場監測系統，計量等級為0.5級。

2.2 鉆井高壓無功補償技術研究

鉆井高壓電氣系統功率因數補償，采用高壓低補方式，先由6000V/400V，容量為500kVA的電力變壓器將6000V變壓為400V，然后進行450kvar功率補償，容性負荷反送電網，抵償感性負荷產生的無功電流。研制動態無功功率補償裝置，采用大功率可控硅組成的無觸點開關，對多級電容器進行快速無過渡投切。自動補償控制器采用全智能控制，對電網的電壓、電流進行采樣，然后基于交流采樣算法，求得動力系統的無功功率，實現跟蹤測量鉆井中負荷的功率因數、無功電流，與預先設定的給定值進行比較，并進行補償容量實時計、投切邏輯快速判斷、實時輸出投切信號、動態控制投切不同組數的電容器，以保證功率因數始終滿足設定要求。提高系統功率因數，補償容量足夠的情況下平均功率因數達到0.9以上，減少無功電流損耗。動態抑制諧波，能夠避免諧波產生的諧振，一定程度抑制瞬間電壓閃變，運行不會對其他電氣設備產生不良影響和干擾。同時，通過LED顯示屏完成人機交互，進行控制的參數預置，運行狀態顯示及異常報警功能。

圖1 鉆井安全供電節能總體改進方案

2.3 鉆井泵高壓電機軟啟動技術研究

驅動鉆井泵的YB-630-4型高壓三相異步電機（簡稱電機）參數：功率為1000kW，額定電壓為6000V，額定電流為115.2A，頻率為50Hz，F級絕緣，轉速為1490r/min。通過實測評估及性價比分析認為，基于磁閥式可控電抗器的軟起動系統為綜合最優選擇（圖3）。

圖2 磁閥式磁控電抗器的二次原理圖

高壓軟起動裝置主要由TV柜、電機控制柜、磁閥式軟起動柜組成。高壓電動機軟起動技術主要應用于1000kW/6000V電動機驅動鉆井泵系統中。降壓啟動裝置的核心為磁閥式可控電抗器，將其串聯接入電動機的定子起動回路，采用低壓晶閘管為核心控制器件，通過改變晶閘管的導通角來改變磁閥式可控電抗器鐵芯磁閥的磁阻，從而改變電抗器的電抗值，達到平滑調節電抗的目的。起動鉆井泵電動機把起動電流由6倍限制到2倍額定電流以內,緩慢安全起動，不沖擊電網。起動電流大小可通過人機界面設定并準確鎖定。根據鉆井泵電機負載特點，起動電流設定為2Ie，起動時間13秒，從而杜絕因鉆井泵起動造成過載跳閘停電事故的發生。磁閥式可控電抗器應用于起動回路，其導通及關斷，克服了傳統晶閘管軟起動中耐壓受限、容量受限、對波形破壞嚴重的缺點，尤其適合超高壓及超大容量系統，不怕搬遷中震動，免維護，適合鉆井隊使用。

2.4 鉆井現場調諧濾波技術研究

高次諧波產生的原因主要是由于電力系統中存在非線性元件及負載。儲能元件或變流裝置使電壓、電流波形發生畸變。電網中存在大量諧波，造成設備不能正常工作，產生很大危害。鉆井調諧濾波技術主要應用于600V變頻控制系統。本項目研制的是并聯型電流型濾波裝置（圖3）。APF由IGBT功率模塊組成的三相電平逆變器經由連接電抗器并聯在電網上。負載電流被采集到APF控制系統中，通過實時控制電路將負載電流中的諧波分量分離出來，運用大容量DSP數字信號處理器，采用PWM最新技術控制IGBT觸發，通過調節三電平逆變器交流側輸出電壓的相位和幅值，輸出與負載諧波電流大小相等，方向相反的電流與系統中的諧波電流互相抵消，實現濾除諧波的功能，保證最終流入系統電流是正弦波。

圖3 鉆井調諧濾波裝置一次系統示意圖

2.5 鉆井現場電能質量遠程監測與計量技術研究

在充分考慮野外鉆井工況的情況下，以當代先進的物聯網技術、通信技術和信息技術為手段，建立電能質量指標在線實時數據采集、監測、分析一體化軟件平臺，形成科學化的鉆井井場電能質量監測管理模式，為鉆井井場電能質量的事中控制提供決策依據，為鉆井井場電能質量的事后分析提供手段（圖4）。實現了井場電能質量相關指標（三相電流、電壓，有功、無功功率，電度，電壓電流波形、總諧波（THD）、諧波棒圖、三相不平衡，CF因子，K因子等）采集與傳輸，在后線就可計量與觀察井場電能狀況。

2.6 一條鉆井供電線路上實施配套技術應用情況與效果

根據每個隊的設備配置情況，配套使用相關技術。同時，在所有鉆井隊的高壓保護柜上加裝電能質量在線監測裝置，對高壓保護柜處對電壓、電流、波形、三相不平衡度等每個隊鉆井電能質量情況進行重點監測和鉆井電能計量考核。通過實施，供電線路電壓得到提高，加上遠程電能質量在線監測系統的運行，對鉆井電力線路運行情況可以實時跟蹤，合理調度協調鉆井隊搭火線入網點，避免了有的線路負荷過少，有的線路負荷超載的情況，這樣，一個鉆井臨時移動變電站過去最多帶6個鉆井隊，現在最多可以帶到7個鉆井隊。

圖4 電能監測系統井場示意圖

將電能質量控制在標準值內，供電平穩可靠，杜絕了鉆井線路突然斷電。電控系統改進7支鉆井隊，加裝的電能質量控制設備多為免維護運行，自動化程度高，滿足了鉆井供電要求。投入使用后，效果良好，安全節能，保障電網供電可靠性，確保鉆井人員操作安全，提高鉆井生產效率，獲得良好的經濟效益。7個鉆井隊進行了項目應用，3年共產生經濟效益4136萬元。

3 結語

綜上所述，電力電子新技術在鉆井現場配套應用，形成適合于油田鉆井的供電安全控制與節能技術，使鉆井現場供電質量達到國家電網要求標準，節能降耗，安全環保，減少電氣設備的誤動作與損壞，確保鉆井生產的順利進行，收到顯著經濟與社會效益。

[1]靳龍章．丁毓山．電網無功補償實用技術[M].中國水利水電出版社，2008，10.

[2]劉利軍．節電技術及其工程應用[M].中國電力出版社，2012，1.

[3]蔡中勤，周蘇荃，劉明基．電網保護[M].北京：機械工業出版社，2010，1.

[4] 高壓靜止無功補償裝置，中華人民共和國電力行業標準，2007-03-01實施.

TM73

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1671-0711（2017）07（上）-0195-03