油井群控變頻互饋系統(tǒng)效率集中控制技術(shù)的研究及應(yīng)用

楊孝剛 王寶明 馮建設(shè) 彭敏 樊曉慶 陳善英

（1.長(zhǎng)慶油田第三采油廠；2.長(zhǎng)慶油田油氣工藝研究院）

1 概述

目前，我國(guó)油田普遍應(yīng)用的游梁式抽油機(jī)，為了使抽油機(jī)可靠、穩(wěn)定地啟動(dòng)，大型油田的抽油機(jī)均采用了較大功率驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和大容量變壓器。這雖然在一定程度解決了啟動(dòng)問(wèn)題，但正常運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)常處于輕載狀態(tài)，其運(yùn)行效率僅為30%左右。變壓器及電動(dòng)機(jī)較低的負(fù)載率，導(dǎo)致電網(wǎng)傳輸無(wú)功負(fù)荷過(guò)大，網(wǎng)損增加，電網(wǎng)容量得不到充分利用，供電質(zhì)量受到影響。采油系統(tǒng)高配置、低效率的現(xiàn)狀，造成了電力能源和設(shè)備資源的極大浪費(fèi)，節(jié)能潛力巨大[1-3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已設(shè)計(jì)研發(fā)了大量代表性節(jié)能產(chǎn)品及節(jié)能方案[4-5]，并取得了顯著效果。在抽油機(jī)節(jié)能控制研究方面先后出現(xiàn)了功率因數(shù)補(bǔ)償器、軟啟動(dòng)器、調(diào)速電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速裝置、雙功率電動(dòng)機(jī)、Y/△切換裝置、可控硅調(diào)壓裝置及間抽控制器(自動(dòng)控制供液不足油井的啟停)等技術(shù)。公認(rèn)效果最好的是變頻調(diào)速，采用變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是：可根據(jù)油井的實(shí)際供液能力，動(dòng)態(tài)調(diào)整抽取速度，既節(jié)約電能，又提高油井的采收率；可提高電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)，減輕電網(wǎng)及變壓器的負(fù)擔(dān)，降低線損；可避免電動(dòng)機(jī)、變速箱、抽油機(jī)等過(guò)大機(jī)械沖擊，大幅延長(zhǎng)了泵及有關(guān)設(shè)備的壽命。變頻調(diào)速技術(shù)在油田應(yīng)用中的主要問(wèn)題是當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，再生能量通過(guò)與變頻器逆變橋開(kāi)關(guān)器件（IGBT）并聯(lián)的續(xù)流二極管的整流作用，反饋到直流母線，對(duì)濾波電容器充電而使直流母線電壓升高，產(chǎn)生“泵升電壓”，直流母線電壓過(guò)高時(shí)將會(huì)對(duì)濾波電容器和功率開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成威脅。

解決泵升電壓的方法目前有三種：第一種將再生的電能儲(chǔ)存在直流母線上的濾波電容里，等到電動(dòng)狀態(tài)時(shí)再釋放做功，有利于節(jié)能，但是電容器的儲(chǔ)能作用有限；第二種采用基于雙PWM 變頻電路的電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電能反饋，但電路和控制系統(tǒng)復(fù)雜，未得到推廣，尤其是應(yīng)用于1 140 V 的抽油機(jī)上系統(tǒng)成本更是大幅提高；第三種采用制動(dòng)電阻消耗掉倒發(fā)電能，這種方法設(shè)備簡(jiǎn)單可靠，但是一種浪費(fèi)能量的方式，不利于節(jié)能。

通過(guò)油井群控變頻互饋節(jié)能控制系統(tǒng)安裝在井場(chǎng)，是整個(gè)油田節(jié)能改造的關(guān)鍵設(shè)備，利用群控變頻及公共直流母線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各油井能量的互饋共享，有效解決電壓泵升問(wèn)題，對(duì)油田節(jié)能降耗具有重要意義。該系統(tǒng)在油田實(shí)際應(yīng)用和節(jié)能改造過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題是：油井供電線路普遍較長(zhǎng)，導(dǎo)致直流輸電回路投資成本較高，限制了系統(tǒng)的推廣應(yīng)用；交直流不同供電方式判別、轉(zhuǎn)換的安全問(wèn)題只是通過(guò)嚴(yán)格的操作規(guī)則來(lái)保證，不能異地自動(dòng)判別轉(zhuǎn)換。

針對(duì)上述問(wèn)題，文中分析了油井變頻互饋節(jié)能供電控制特點(diǎn)，結(jié)合油井實(shí)際工況需求，通過(guò)動(dòng)力源與變頻互饋控制柜關(guān)鍵單元的供用電及控制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)供電控制系統(tǒng)兼容的低成本油井變頻互饋節(jié)能供電控制系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了油井電動(dòng)機(jī)的本地及遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化群控功能。通過(guò)遼河油田的試驗(yàn)監(jiān)測(cè)，在可靠安全運(yùn)行前提下，節(jié)能效果顯著。

2 變頻互饋節(jié)能供電控制方案

如圖1 所示，由于各油井工作周期非同步，某些油井提升消耗能量時(shí)，其他油井下降倒發(fā)電能，通過(guò)直流母線的瞬態(tài)能量始終滿足：所有油井倒發(fā)電能+電網(wǎng)供電能=所有電動(dòng)機(jī)耗能，因此可充分利用各電動(dòng)機(jī)倒發(fā)電能，同時(shí)減小供電網(wǎng)側(cè)油田載荷的波動(dòng)，提高能量的互饋共享及循環(huán)利用，從而提高整個(gè)油田的節(jié)能效率。

倒發(fā)電能在油田內(nèi)部消耗，解決了污染電網(wǎng)的問(wèn)題。電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)大幅提高（一般在0.93～0.99），采用通常電容補(bǔ)償?shù)姆椒ê茈y達(dá)到理想的效果，對(duì)整個(gè)作業(yè)區(qū)的電網(wǎng)資源利用效率大幅提高。變頻互饋控制柜電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)都是軟啟動(dòng)，克服了直接啟動(dòng)對(duì)電及電網(wǎng)的沖擊，運(yùn)行電流和沖擊電流的減小可將原變壓器容量減小50%。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)的供電和控制的可靠性設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)成本至關(guān)重要。

3 變頻互饋節(jié)能供電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有油井群控變頻互饋控制系統(tǒng)的保護(hù)措施是加強(qiáng)嚴(yán)格的操作規(guī)程。再加2 根聯(lián)絡(luò)線來(lái)互鎖，用6 根供電線供電，6 根供電線分別為交流A 相、交流B 相、交流C 相、中線N、直流＋、直流－，然而嚴(yán)格的操作規(guī)程不能從根本上杜絕事故發(fā)生，再加2 根聯(lián)絡(luò)線來(lái)互鎖，用6 根供電線都存在舊設(shè)備改造現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施難度大、距離遠(yuǎn)、成本過(guò)高的問(wèn)題。

根據(jù)油井現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況需求，新設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)與原供電控制系統(tǒng)兼容，在某些工況下需要利用交流電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)的瞬時(shí)大轉(zhuǎn)矩滿足地質(zhì)層鉆探初始轉(zhuǎn)矩的工況需求，因此對(duì)油井電動(dòng)機(jī)而言，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)交流供電和群控變頻互饋節(jié)能供電控制兩種方式之間的靈活切換。按傳統(tǒng)思路若重新架設(shè)新的直流供電線路，雖然控制方案節(jié)能實(shí)現(xiàn)，但改造投資成本大幅提高，最終的經(jīng)濟(jì)效益并不顯著，文中設(shè)計(jì)的變頻互饋節(jié)能供電控制系統(tǒng)則克服了上述問(wèn)題。

3.1 系統(tǒng)方案

圖2 所示，為本系統(tǒng)整體構(gòu)架現(xiàn)場(chǎng)示意圖。動(dòng)力源控制柜將油廠變壓器二次側(cè)三相交流電壓根據(jù)各油井不同的工況需求，或者交流輸出給油井電動(dòng)機(jī)，或者通過(guò)整流器后的直流母線輸出給多個(gè)油井電動(dòng)機(jī)。變頻互饋控制柜設(shè)立于各油井口，內(nèi)設(shè)逆變單元和現(xiàn)場(chǎng)控制單元，根據(jù)油井工況需求完成相應(yīng)控制。

3.2 系統(tǒng)關(guān)鍵單元設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.2.1 動(dòng)力源設(shè)計(jì)

如圖3所示，圖中交流A、B、C及中線N為10 kV變壓器二次側(cè)輸出交流線路，交流A、B、C 作為整流模塊的三相交流電源，整流輸出直流P+及P-，QF1-QF4 為雙向復(fù)合開(kāi)關(guān)，當(dāng)各開(kāi)關(guān)合向上觸點(diǎn)時(shí)，動(dòng)力源作為直流電源進(jìn)行供電，其中隔離變壓器的主要作用是將控制電路與主供電電路隔離，其二次側(cè)輸出作為電壓源為控制電路供電。從接線圖顯然可見(jiàn)，當(dāng)QF1-QF4 各開(kāi)關(guān)合向下觸點(diǎn)時(shí)，動(dòng)力源作為交流電源進(jìn)行供電。交直流共享接線方式的關(guān)鍵問(wèn)題是如何可靠、自動(dòng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況需求進(jìn)行交直流供電方式的轉(zhuǎn)換，因此變頻互饋控制柜的設(shè)計(jì)是最重要的。

圖1 變頻互饋節(jié)能供電控制方案

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖3 動(dòng)力源接線

3.2.2 變頻互饋控制柜設(shè)計(jì)

如圖4 所示，當(dāng)QF1-QF4 合向上觸點(diǎn)，動(dòng)力源直流輸出時(shí)，變頻逆變柜R/P+和S/P-線路為直流輸入，將直流電壓供給逆變器，實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速運(yùn)行。T 和N 為經(jīng)隔離變壓器后的交流輸入，為后面的控制電路提供電源；當(dāng)QF1-QF4 合向下觸點(diǎn)，動(dòng)力源交流輸出時(shí)，變頻逆變柜R/P+、S/P-、T 和N 為三相四線的交流輸入，直接供電給交流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的工頻直接啟動(dòng)運(yùn)行。

現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力源控制柜在變壓器附近，與各油井變頻回饋控制柜距離較遠(yuǎn)。實(shí)際運(yùn)行中，動(dòng)力源控制柜與變頻回饋控制柜必須同步置“變頻”或“工頻”運(yùn)行方式，否則會(huì)燒壞變頻逆變器或電動(dòng)機(jī)。因此設(shè)計(jì)在盡量降低成本，不增設(shè)新線路的同時(shí)，動(dòng)力源和逆變柜兩地同步控制，交直流安全互鎖保護(hù)功能是關(guān)鍵。

基于運(yùn)行需求，在逆變柜進(jìn)線端S/P-和N 之間接入中間繼電器，當(dāng)動(dòng)力源工頻供電時(shí)，J 線圈帶電，J 的常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，JC3 線圈通電，交流接觸器JC3 閉合，電動(dòng)機(jī)工頻啟動(dòng)運(yùn)行，此時(shí)J 的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，JC1 及JC2 線圈失電，直流接觸器JC1 和交流接觸器JC2 斷開(kāi)，逆變器不帶電；當(dāng)動(dòng)力源直流供電時(shí)S/P-和N 沒(méi)有電關(guān)系，J 線圈失電，JC3 失電，JC1 及JC2 線圈帶電，此時(shí)直流接觸器JC1 和交流接觸器JC2 吸合，電動(dòng)機(jī)通過(guò)逆變器供電，實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行。

圖4 變頻互饋控制柜接線原理

如圖5 所示，抽油機(jī)終端下位機(jī)對(duì)抽油機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)無(wú)線通訊實(shí)現(xiàn)與PLC 的通信，同時(shí)通過(guò)PLC 將相關(guān)工作數(shù)據(jù)傳送到觸摸屏或者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，用戶可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏或者監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線調(diào)參及遠(yuǎn)程控制，充分發(fā)揮同一采油區(qū)塊內(nèi)抽油機(jī)井的群控優(yōu)勢(shì)。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化控制系統(tǒng)

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

由以上技術(shù)開(kāi)發(fā)的油田群控變頻互饋控制系統(tǒng)，2017 年在新寨作業(yè)區(qū)3 個(gè)井組14 口油井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，取得了良好的節(jié)能效果。

1）安裝集中控制節(jié)能裝置以后，單井電動(dòng)機(jī)以前的配電柜可以去掉，只需在井口安裝啟動(dòng)和停止按鈕即可，這樣檢修和維護(hù)時(shí)，只需對(duì)1 個(gè)集中節(jié)能柜進(jìn)行維護(hù)，相對(duì)集中非常方便。并且節(jié)能裝置配電柜有風(fēng)扇，在夏季時(shí)可以對(duì)里面設(shè)備進(jìn)行降溫，有效保護(hù)和延長(zhǎng)了設(shè)備使用期限。

2）該集中節(jié)能裝置有電流和電壓過(guò)載和不足的保護(hù)，當(dāng)電流和電壓不正常時(shí)，配電柜就會(huì)發(fā)出報(bào)警強(qiáng)制停井，并在控制面板上顯示報(bào)警原因，待報(bào)警原因解決以后才能啟井，這對(duì)電動(dòng)機(jī)和相關(guān)設(shè)備起到很好的保護(hù)作用。

3） 由于該設(shè)備對(duì)每口井都安裝了1 臺(tái)變頻器，這樣可以通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的頻率來(lái)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而降低抽油機(jī)沖速。目前井區(qū)抽油機(jī)一般配備7 次、5 次和3.5 次皮帶輪，安裝變頻器以后，只要皮帶輪都換成7 次或5 次皮帶輪，就可以通過(guò)調(diào)節(jié)頻率將抽油機(jī)的沖速降到5 次以下，而不需要更換皮帶輪，省去了很多工作量，還可以避免因?yàn)楦鼡Q皮帶輪帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)變頻調(diào)節(jié)可以調(diào)到2.5 次、1.5 次，這個(gè)是傳統(tǒng)抽油機(jī)配電柜無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，調(diào)到2.5 次和1.5 次以后，抽油機(jī)運(yùn)行速度降低，這樣更換盤(pán)根次數(shù)明顯減少，旗20-30、旗20-32、吳93 三個(gè)井組盤(pán)根以往每個(gè)星期換一次，目前15 天，有的甚至30 天換一次。這樣既節(jié)約了材料費(fèi)也減少放空原油的產(chǎn)生。

4）利用抽油機(jī)倒發(fā)電和優(yōu)化工藝叢式井組日節(jié)電146 kWh。

5） 普通異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)一般為0.76，由于井口電動(dòng)機(jī)的載荷小因而功率因數(shù)僅為0.40，電網(wǎng)能量損耗非常巨大。安裝新設(shè)備后功率因數(shù)由0.42 上升至0.99，降低了能耗，節(jié)約了資源。

直接經(jīng)濟(jì)效益。安裝該節(jié)能裝置后，通過(guò)減低電動(dòng)機(jī)頻率， 單井日節(jié)電32 kWh，每年按350 天計(jì)算，單井年累計(jì)節(jié)電11 200 kWh，。每度電按0.7元計(jì)算，則單井年節(jié)約費(fèi)用7 840 元。 單井投入費(fèi)用1.9 萬(wàn)元，投資回收期2.6 年。

5 結(jié)論

叢式井組群控節(jié)能控制技術(shù)，綜合利用工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與自動(dòng)化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低產(chǎn)叢式井組節(jié)能降耗的目的，并通過(guò)油井生產(chǎn)實(shí)時(shí)分析優(yōu)化決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了油井參數(shù)自動(dòng)采集（油井載荷參數(shù)、出口流量、電動(dòng)機(jī)參數(shù)等）、遠(yuǎn)程傳輸、遠(yuǎn)程調(diào)參和自動(dòng)控制功能。 具有非常重要的意義。

1）1 個(gè)井場(chǎng)共用1 個(gè)直流母線，通過(guò)變壓器、變頻逆變的工作原理，實(shí)現(xiàn)不同電動(dòng)機(jī)到發(fā)電能量自動(dòng)聚焦直流母線、二次分配、互饋利用。

2） 采用變頻控制可以實(shí)現(xiàn)大扭矩低速啟動(dòng)，這樣啟動(dòng)輸入功率就大大降低，可以采用較小的電動(dòng)機(jī)與之匹配，即解決“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象。

3）可根據(jù)油井的實(shí)際供液能力，動(dòng)態(tài)調(diào)整抽取速度，最大程度的達(dá)到節(jié)能目的。

4）對(duì)電動(dòng)機(jī)、變速箱、抽油機(jī)都避免了過(guò)大的機(jī)械沖擊，大大延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，減少了停產(chǎn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

5）功率因數(shù)可由原來(lái)的0.25～0.5 提高到0.9 以上，降低了線損，減輕了電網(wǎng)及變壓器的負(fù)擔(dān)，挖掘出大量的電網(wǎng)“擴(kuò)容”潛力。

6）基于油田數(shù)字化管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)井組節(jié)能裝置的相關(guān)參數(shù)自動(dòng)采集（油井載荷參數(shù)、出口流量、電動(dòng)機(jī)參數(shù)等）、遠(yuǎn)程傳輸、遠(yuǎn)程調(diào)參和自動(dòng)控制功能。