基于共直流母线的多油井变频群控系统节能分析

焦裕玺卢正通肖志勇刘向东张素梅

（1.山东科技大学电气与自动化工程学院；2.胜利油田技术检测中心）

基于共直流母线的多油井变频群控系统节能分析

焦裕玺1卢正通1肖志勇2刘向东2张素梅2

（1.山东科技大学电气与自动化工程学院；2.胜利油田技术检测中心）

抽油机是油田机采系统主要能耗设备之一，针对抽油机存在的严重倒发电问题，将多台抽油机变频控制终端配挂在直流母线上，实现油区内多台抽油机倒发电能的互馈共享。以某油田对该系统的实际应用测试为例，对比了使用该技术前后的节能效果。结果表明，该系统有效地降低了投资成本，提高了系统功率因数，实现了节能降耗。

抽油机倒发电直流母线群控系统变频控制节能分析

在油田生产过程中，抽油机井除了常规的配电方式外，新型控制方式逐步投入使用，例如共交流母线和共直流母线群控系统。对共直流母线的多油井变频系统进行了设计与开发，由于缺少现场测试数据的支撑，而且在系统可靠性以及对电网稳定运行产生的影响等方面也没有明确的评价。因此，结合某油田采油厂生产实际，对正常生产油井进行了共直流母线改造工作，通过测试了解共直流母线系统投入机采系统前后的能耗变化情况，掌握了共直流母线技术的性能、特点及优势，为油田开展类似的改造工作提供理论和现场数据支撑。

1　系统原理

根据直流母线供电原理，设计了一种实现多台抽油机群控的变频节能装置［1］。该技术的特点为：利用变压器对电网电压进行降压处理，再通过整流滤波装置把交流电转变为600V的直流电，将多台抽油机变频控制终端系统配挂在直流母线上进行群控，实现群控网络上多台抽油机倒发电能的循环共享，既减小了网侧的谐波污染又提高了系统的功率因数，实现了节能减排的目的（图1）。

2　主要研究内容

测试某油田单独运行的4口油井，由4台变压器供电，油井平均距离约为300m，改造前为“一拖一”单井，改造后为“一拖四”共直流群控系统，分别对使用共直流母线群控系统前后的油井运行情况进行了测试与分析，其中电参数的测试项目主要包括了变压器二次侧以及抽油机单井的电压、电流、有功功率、功率因数；除电参数的测试以外，对每口油井的产液量进行了同步计量。共直流群控系统使用前，各单井均处于工频运行状态；共直流群控系统使用后，各单井根据工况，分别运行于不同频率。根据测试结果，从三个方面对共直流母线使用情况进行了分析：各单井运行情况；变压器运行情况；群控系统运行情况。

图1　系统原理示意图

3　节能分析

3.1单井运行情况分析

使用群控系统前后，单井产液量及电参数的测试对比见表1。可以看出：

1）油井1改造前为工频运行，改造后为变频50Hz运行，油井的冲速、产液量未发生变化，但由于使用了逆变单元，其中电力电子器件在运行中会产生损耗，因此单井的有功功率比未使用逆变单元时要略微升高。

2）油井2改前为工频运行，改后为变频48Hz运行。在频率48Hz运行时，电动机转速变化不大，对油井冲速的影响有限，所以产液量变化不明显，运行电流稍有下降，有功功率降低但变化不大。

3）油井3和油井4，由于改后运行频率变化较大，因此冲速降低明显。从表1可以看出，这2口井改后产液量虽稍有降低，但变化量小，但有功功率明显降低，节能效果显著。由此可见，对于群控系统，使用变频调速是实现节能的前提条件，就是实现电动机与泵的最佳配合。

表1　系统改造前后各单井运行情况对比

3.2变压器运行情况分析

改造前后，变压器二次侧的相关电参数及容量统计情况见表2。可以看出共直流母线群控系统对变压器运行方面的影响：

1）实现了变压器的有效降容、减少容量费的投入。使用群控系统前，4口油井分别使用50kVA变压器，总容量200kVA，使用群控系统后，仅使用1台100kVA变压器，总容量费下降50%。

2）改造前，为了满足电动机的启动以及过载要求，往往选取比较大的电动机与变压器。但实际运行中，油井的平均负荷较小，因此抽油机电动机、变压器的负载率比较低，不利于设备的经济运行。使用群控系统后，几台抽油机可以共用1台变压器，变压器的负载率提高，设备运行更加经济。

3）改造后，在保持各油井产液量不变并运行于变频状态，各油井的总有功功率明显低于“一拖一”单井运行方式产生的有功功率，有功节电率约14%，具有明显的节能效果。

4）由于群控系统整流单元，使用群控系统时，变压器的功率因数明显高于未使用群控系统，对整个群控井群以及配网都是有益的。

表2　系统改造前后变压器二次侧数据汇总

3.3群控系统运行情况

根据单井及变压器二次侧的测试结果，得到群控系统使用前后的损耗对比情况（表3），由于群控系统中间环节较多，相应各环节的损耗较高，因此系统整体损耗要高于普通工频运行产生的损耗，但由于群控系统将抽油机的倒发电能量利用，能够实现油井的实时变频控制，因此系统的节能效果明显。测试过程中整流单元入端（变压器二次侧）及单井逆变单元的有功功率波形如图2、图3、图4所示。可以看出，虽然有2口井有不同程度的倒发电情况，但在整流单元的入端均未能检测到电能的回馈，说明群控系统可以很好地解决抽油机倒发电问题。

表3　系统改造前后功率损耗情况汇总

图2　油井1功率曲线

图3　油井3功率曲线

图4　整流单元入端的功率曲线

4　结论

采用直流母线群控技术，避开多口油井大电流的峰值叠加，互相避峰填谷，大幅度降低母线电流，使总容量降低了50%以上，减少了配电变压器的使用数量，减少了容量费的成本支出；直流输电线路压降较小，电能损耗较低，且直流输电容量约为交流的2倍左右，仅用2根电缆替代交流架空线路需用的3根电缆，可节约资金30%以上；处于电动运行的抽油机能够汲取处于倒发电状态下抽油机发出的电能，避免了倒发电量回馈至电网，省去馈能处理单元，降低各单井变频终端投资约20%。实现了节约能源、降低成本的目标，该节能研究成果具有推广与利用价值。

［1］赵智，鲍兵，赵中山.基于采油系统的公共直流母线变频器结构分析及应用［J］.电气应用，2008（14）：24-26.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.003.003

2014-12-29）

焦裕玺，山东科技大学在读硕士研究生，研究方向为控制理论与控制工程，E-mail：544149814@qq.com，地址：山东省东营市西城区济南路2号胜利油田技术检测中心，257000。