大港油田共用直流母線技術研究與應用

龍云 劉建福 趙曉青

摘要：隨著大港油田的逐步深度開發，土地資源匱乏，人員成本上升，井叢場開發方案的逐步增多。針對目前井叢場開發模式的逐步推廣，根據游梁式抽油機的負荷具有周期變化的特點，提出將共用母線技術應用于井叢場配電，有效利用機械饋能，達到節能提效目的。

Abstract： With the gradual deep development of Dagang Oilfield， land resources are scarce， personnel costs are rising， and the development plan for well clusters is gradually increasing. Aiming at the gradual promotion of the current well field development model， according to the characteristics that the beam pumping unit's load has a periodic variation， it is proposed that the common busbar technology be applied to the well cluster field power distribution， and the mechanical energy feed can be effectively used to achieve the purpose of energy saving and efficiency improvement.

關鍵詞：井叢場；共用直流母線；首次；技術應用

Key words： well cluster field；common DC bus；first time；technology application

中圖分類號：TG580.23+4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）25-0117-03

0 引言

隨著大港油田的逐步開發，提質增效不斷深入，新增產能井為減少占用農田，減少人員成本，節約修公路和修井場的土地、資金和時間，選用井叢場開發方案的逐步增多。目前，第六采油廠應用井叢場開發模式的已有6處，正在籌備建設的有3處，涉及油井75口，井叢場配電方式的優化升級以迫在眉睫。

1 目前井叢場配電系統存在的問題

①原有平臺井配電系統，多為一臺變壓器對應多口油井或一臺變壓器對應一口油井的供電方式，油井采用工頻柜或變頻柜控制運行，由于缺少統一規劃標準，自控系統與配電系統不能有效整合，電控箱林立，布線雜亂，現場設備擺放混亂，為施工埋下安全隱患。

②在應用工頻控制過程中，由于交流電機的啟動沖擊打，啟動電流是5-7倍，變壓器的容量要留有較大的余量，造成運行時功率因數很低，無功損耗很大，同時增加變壓器購置費用和容量損耗費用。

③在應用變頻控制過程中，由于游梁式抽油機的負荷具有周期變化的特點，在運行過程中存在反發電現象，通過制動電阻消耗反發電電能，造成能源浪費和設備使用壽命短的問題；而通過能量回饋單元將反發電電能回饋電網，雖然能源得到有效利用，但存在投資高，回饋電能諧波分量高污染電網的問題，我廠以出現多次因諧波分量過高造成大面積停井事件。

2 共用直流母線技術

公共直流母線是隨著電力電子技術的發展及不斷創新的控制理論而的產生的。在國外國內應用廣泛，公共直流母線系統最適合比例連動多臺控制（例如：油田抽頭機，脫水機，拉絲機，起重機，比例連動控制系統等負載）一般使用變頻器驅動都需增加反饋電網的裝置或制動電阻，否則無法順利使用。采用反饋電網的方式，其投入成本高。采用制動電阻因為反饋能量大，消耗功率很大，是較不經濟的方法。因此，如何把負載慣量產生的電能再生利用，此為關鍵技術重點之一。

共用直流母線的原理就是將變頻器分解為兩個部件，即：整流器部分與逆變器分開。如此：一臺較大整流裝置可以供應多臺逆變裝置，每一臺逆變器的直流母線均并聯在一起.因此，逆變器反饋的能量可以彼此互相利用。所有逆變器能量不足的部分再由整流橋補充，由電網供電；因此這種應用方式節電率最高。而且節能效果好、運行平穩、維護簡單。

3 井叢場共用直流母線應用設計思路

基于大港油田第六采油廠羊1#井叢場26口油井集中分布的特點，采取智能抽油井組群控系統，利用直流母線供電電壓降低、諧波少、饋能可回收、群控半徑大和安全性高等優點，徹底顛覆傳統抽油井交流供電模式，有效克服直流供電線路存在的諸多問題，智能抽油井組群控系統根據抽油機上下沖程的特點，錯峰啟動、削峰填谷，既充分利用倒發電產生的饋能，又大幅減少了變壓器的容量。同時智能抽油井組群控系統結合油井供排狀況，通過自學習的柔性控制策略，可以控制抽油機的抽汲過程與油層滲流規律精確匹配，保持抽油井在最佳狀態下工作，實現有桿泵系統供排協調實時動態調整，達到高效生產、節能降耗的目的，為油田科學生產提供一種新型調整手段，滿足智能化采油的要求。

智能抽油井組群控系統主要包括電驅單元、數字化單元和群控軟件單元三部分組成。電驅單元包括整流撬裝、逆變控制和柔性控制子單元；數字化單元包括整流柜、逆變器運行參數采集和數據遠傳子單元；群控軟件單元包括抽油機專用逆變器控制、井群協調控制、倒發電饋能再利用控制、井群沖程位能控制及抽油機井柔性控制等群控軟件子單元。

3.1 整流橋及逆變器選型研究

①整流單元把交流電源轉換為電壓穩定的直流電源，從穩定性、整流效果、功耗、對電網污染等多個方面進行類比。最終為確保運行穩定確定采用二極管全波整流，并要求兩套整流單元可單獨運行，也可并列運行。單套整流單元額定功率不低于400kW。整流單元應提供完善的保護，具有輸入過/欠壓、輸入缺相、輸入反接保護、電流限幅、過流等保護功能，并分別在交流側、直流側安裝多功能電能計量裝置。

②采用800KW，整流，選型依據：整流柜容量稍大于逆變器實際總容量（33KW*26=858KW）*0.33=283KW，因為26臺逆變器采用群錯峰控制，實際有功功率系數為1/3。800KW整流柜內含2臺400KW整流單元，整流單元型號為：GD800-61-400-4；兩臺整流單元，可以一用一備，可通過刀閘切換。整流柜前端配備輸入電抗器提高功率因數，同時配備前端LC濾波器。

整流柜的輸入輸出端的電流、電壓、功率等電參數據可通過RS485 Modbus輸出。

③逆變器控制器的選型根據電機功率來進行選擇，電機功率為33KW，逆變器功率選37KW，石油專用逆變器型號為：GD300-037G-4-SIY，另備用一臺大功率逆變器45KW，針對長時間停機問題，作為緊急啟動和備機使用；同時逆變柜內，加裝一塊24V開關電源，容量滿足300W，用于數據采集控制單元、逆變柜控制單元、視頻安防單元、無線網絡傳輸單元等供電。

④逆變器控制方式采用無PG矢量控制，同時為了使逆變器根據負載情況自動調整輸出頻率，逆變器采用功率平衡控制，控制方式原理如圖1所示。

3.2 反饋電能利用技術的研究

在井叢場抽油機應用共用直流母線變頻集控系統運行時，由于抽油機是其曲柄帶以配重平衡塊帶動抽油桿，驅動井下抽油泵做固定周期的上下往復運動，把井下的油送到地面。在一個沖次內，隨著抽油桿的上升/下降，而使電機工作在電動/發電狀態。上升過程電機從電網吸收能量電動運行；下降過程電機的負載性質為位勢負載，加之井下負壓等使電動機處于發電狀態，把機械能量轉換成電能回饋到直流母線。為確保所有抽油機避免同時處于發電/電動狀態。使用智能油井組群控系統，利用直流母線供電壓降低、諧波少、饋能回收、距離遠和安全性高等優點，徹底顛覆傳統抽油井交流供電模式，有效克服直流供電線路存在的諸多問題，使多油井在啟動和運行過程中實現電動與發電狀態達到相對平衡，避免同時處于發電狀態造成對元器件沖擊和饋能有效利用問題，并通過制動單元在直流母線電壓超過700V時投入運行，保證直流系統電壓在700V以下電壓范圍內安全運行，提高了井叢場多抽油機采油系統的安全高效運行。通過饋能利用及優化控制，使群控系統內各抽油井倒發電饋能與電動消耗能量保持平衡，提高直流母線能量的互饋共享和循環利用效率。

3.3 油井負荷與變壓器匹配容量計算

利用共用直流母線系統內的多口油井沖程沖次各不相同，工作時快慢不一交錯運行的特點，加上獨特的直流供電方式及專門開發的油井逆變器，單井容量冗余被充分融合壓減，大幅度降低了變壓器容量和變壓器臺數，減容達50%以上，同時減少了變壓器自身損耗。

根據油井井深負荷等特點及抽油機型號選用，確定匹配電機功率為33KW，現場油井為26臺，總額定功率為858KW，經實際測量得出單臺變頻控制抽油機電機的運行功率為額定功率的50%。得出總運行功率為，429KW。經過系統測試與前期調研，變頻控制系統能夠有效規避電機啟動電流過大問題。可以不用考慮電機啟動過程中大電流沖擊電網和壓縮變壓器冗余量到15%。計算得出選用500KVA變壓器作為供電變壓器滿足負荷要求。

3.4 諧波集中治理技術研究

目前市面上的治理諧波的設備而言，主要由無源濾波器和有源濾波器。

無源濾波器：主要由濾波電容器、濾波電抗器、無感電阻和控制保護系統組合而成。當電感與電容串聯形成串聯諧振，對基波呈容性，電容對基波頻率產生無功功率補償，對諧波形成低阻抗，讓諧波流入濾波器。

有源濾波器：是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償。可以同時濾除多次及高次諧波，濾除率高達95%以上，且不會引起諧振。

靜止無功發生器：基本原理是，將電壓源型逆變器，經過電抗器并聯在電網上。電壓源型逆變器包含直流電容和逆變橋兩個部分，其中逆變橋由可關斷的半導體器件IGBT組成。能夠動態補償無功功率，實現補償無功，提高功率因數的效果。

根據羊1#井叢場現場實際測得，電流諧波主導次數以5次、7次為主。本著經濟實用的原則選用無源濾波對現場進行諧波治理。

通過優化整流LC濾波設計，實現網側諧波符合GB/T14549《電能質量 公用電網諧波》。

3.5 無人值守監控技術研究

①為減少人員投入，整個井叢場將采取無人值守運行方式。這就對監控提出了更高的要求，需要全方位不留死角的視角。該系統主要包括以高清智能分析為核心的智能視頻分析服務器，以及智能視頻監控平臺和中心服務器平臺。針對傳統監控不能滿足井叢場當前的安防需求，選用智能入侵檢測系統具有的自動學習功能，無須繁瑣的手動布防操作，解決了原有系統只能在固定看守位通過手動操作的布防方式。

②主要通過架設監控桿，紅外電子圍欄，并安裝無線網橋、視頻云臺、音箱、補光燈、RTU監控箱等，實現井場全天候視頻監控，對有人或移動物體進入井場時進行跟蹤拍攝，啟動抽油機前確認安全，對井場的活動進行錄像備案等功能；同時對油井生產數據進行采集、通訊、遠程智能控制等。

③在井場四個角位置安裝4臺槍球聯動一體機系統、在井場中部安裝2臺高速智能高清球機，在井場外2口井處安裝1臺高速智能高清球機；視頻通過無線橋傳輸出中心點無線網橋匯聚，通過光纖網絡，將視頻傳輸到服務器，通過流媒體服務器接收實時視頻流，進行視頻錄像、存儲，將視頻文件傳輸到客戶端，供用戶在線觀看；也可從視頻采集、壓縮軟件，再以流式協議直播給客戶端，視頻通過解碼器上電視墻，完成實時監視信號顯示和錄像內容的回放及檢索。

4 結束語

通過羊1#井叢場共用直流母線配電系統在大港油田首次應用證明，對大港油田井叢場配電系統目前存在的問題，進行了不斷優化，共用直流母線系統適用于井叢場野外工作，具有保護功能齊全，最大化利用變頻反饋電，集中消諧消除電網污染，同時優化整合電力及自控單元，優化配套變壓器容量，節能效果好，具有良好的推廣價值及應用前景。