基于直流母線的抽油機井群控系統技術的探討

王崇仁（大慶油田有限責任公司第七采油廠）

油田生產是一個綜合系統耗能過程，目前節能潛力巨大，僅僅依靠常規技術和局部改造難以突破，進一步深入挖潛是有限度的[1]。基于直流母線的抽油機井群控系統解決了現有設備功效差、成本高等問題，具有節能效率高，造價低，可防止直流母線電壓的大幅度波動和過壓，并且能夠實現“一拖多”抽油機井的不升壓輸電的優點。

1 目前現狀

目前大慶油田使用抽油機大多數采用的是“一機一變”交流供電模式，存在幾個明顯的缺點。變壓器容量大，不能有效利用，造成“大馬拉小車”現象；功率因數低，需要增加無功補償裝置；電路中諧波較大，線路損耗高，安全隱患較多；抽油機的倒發電能量不能得到有效利用，造成能源浪費；部分抽油機毗鄰村落，不能從根本上解決偷電現象，在實際生產及管理中存在諸多隱患。

2 技術原理

應用抽油機井的直流母線群控系統，形成“一變多井”的配電模式，變壓器數量減少90%，有效地降低了變壓器容量的70%～80%，無需增加無功補償，功率因數可達0.9 以上，消除電路中有害諧波對電網的污染，充分利用倒發電反饋的能量，從根本上杜絕偷電形象，預防“晃電”的影響，實現了直流母線輸送、減容、虧能合理利用、單井工況變頻調速的特點，滿足油田生產的機采能耗特點和節能降耗形式的需要。

2.1 直流母線群控配置組態結構設計

進行整流濾波環節的選配方案。通過比較PWM 可逆整流（四象限變流器）與不可逆整流器的優缺點（圖1），群控系統的整流濾波環節選用了不可控整流方案，選配直流側LC 濾波參數，改善交流側電流諧波影響[2]。

圖1 不可控整流器內部電路

2.2 抽油機專用逆變控制終端

逆變控制終端目的是實現抽油機調速、控制、檢測與保護的功能，根據要實現的功能設計逆變終端的主電路（圖2），饋能二極管獨特設計：群控模式特需，實現直流母線饋能；三相整流器備用于現場單井電控模式[3]。

圖2 逆變終端的主電路

巧妙利用整流橋二極管：一管多用，單井模式時用作整流，群控模式時兼作饋能二極管。僅需改接一條短線：將輸入端T 和直流側P1端加接一條短路線即可簡單實現。

2.3 饋能利用及優化控制技術

群控系統是一種簡單的直流微電網，抽油機電動狀態時作微網負載，饋能狀態時相當于直流微電網上的一個特殊微源。使直流母線上各抽油機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 群控系統技術創新點和技術方案

3.1 技術創新點

基于直流母線的抽油機井群控系統主要涉及三項技術：直流群控整流濾波控制技術；直流群控系統專用逆變終端；直流互饋群控系統控制方法。群控系統配置方案見圖3。在優化抽油機運行性能的同時，吸收、回饋利用負發電，節約能源，降低抽油機運行成本，同時利用數字調參功能，探尋抽油機最佳運行參數，有效提高抽油機泵效和系統效率。實現了直流母線輸送、減容、饋能合理利用、單井工況變頻調速[4]。

圖3 基于直流母線的抽油機井群控系統配置方案

3.2 技術方案

1）多口油井共用1 臺變壓器，變壓器數量減少90%，低壓側盜電點減少90%。

2）整流濾波器將380 V（660 V）三相交流電變成540 V（930 V）兩相直流電，完成“交-直”變化，吸收和隔離諧波對電網的沖擊；直流側選配LC 濾波參數，改善交流側電流諧波影響，達到直流側饋能互饋共享循環利用，無需饋網。

3）540 V（930 V）兩相直流電以一條共用直流母線的形式輸送到單井，輸電線路全部為直流輸送，無盜電點。

4）每口單井配備專用的“直-交”逆變器，并聯掛接在母線上完成電動機拖動，逆變交流輸出為0～50 Hz 的變頻，不能用于日常生活用電，無盜電點。倒發電饋能經逆變器續流模塊可饋入直流母線，被其它油井電動機利用[5]。

4 應用效果

以大慶油田某一平臺應用的10 口抽油機井為例，在正常生產工況，應用抽油機井的直流母線群控系統技術后，節約變壓器容量費、減少設備費用：經與另外一種節能裝置進行對比（表1），在油井產液量、動液面基本一致的情況下，安裝“一拖多”直流母線群控系統裝置的10 口試驗井日耗電由903 kWh 降到821 kWh，日節電82 kWh，節電率9.1%。變壓器的平均輸出有功功率分別為34.24 kW、37.64 kW；有功產液量單耗分別為6.58 kWh/t、7.39 kWh/t，有功產液單耗減少了0.81 kWh/t，按大慶油田內部電價0.637 元/kWh 計算，每日可節電81.6 kW，年可節電29 784 kWh，年節約電費1.89 萬元。變壓器減少14 臺，變壓器總容量減少440 kVA；日耗電節約1 314 kWh，有功功率降低26.603 kW，無功功率降低121.578 kVar。

表1 兩種裝置應用效果對比

5 結束語

應用“一拖多”直流母線群控系統，實現了一套整流濾波裝置控制下帶動同一平臺上的油井運轉、調速，完成正常生產，通過逆變器實現多臺電動機的能量回饋，在優化抽油機運行性能的同時，完全吸收、回饋利用負發電，節約能源，該系統具有智能調控功能，可以實現系統內抽油機井“錯峰交替”，大大降低系統的總容量，同時為其它大平臺井提供借鑒，具有較好的推廣前景。