钻井用节能发电机稳压稳频装置的研究和应用

刘 勇，张延军，曹 兵

（中国石油西部钻探吐哈钻井公司，新疆鄯善 838200）

0 引言

节能发电机技术在吐哈钻井公司各井队相继配套应用。经过几年的使用，现场反应节能发电机普遍存在的一些问题，影响到节能发电机的使用和钻井安全。主要表现在发电电压和频率波动较大，远远超出了节能发电机和供电器件的承受范围，极易导致跳闸和电器元件烧损。

因为节能发电机额定频率和额定电压与柴油机的转速成正比。一般发电机的柴油机转速自动调节恒定，电源电压、频率恒定。钻井用柴油机通过联动机在带动节能发电机的同时还要带绞车和泥浆泵运转，所以节能发电机的转速会因为泥浆泵的启停波动，特别是在起下钻工况或启动泥浆泵等大型设备时，柴油机转速波动范围较大，因此节能发电机的运行环境相对恶劣。造成发电电压在320～430 V、频率在45～54 Hz 波动。节能发电机安装如图1 所示。

图1 节能发电机安装

1 现状及节能发电机稳压、稳频装置研究

节能发电机在使用过程中频繁跳闸。在使用节能发电机时，因为柴油机通过联动机还要带绞车和泥浆泵运转，所以节能发电机的转速会因为泥浆泵的启停波动。在起下钻作业、双泵作业、深井段作业，以及复杂井、探井作业时，节能发电机不能保证井场正常用电和井下安全，均处于停置状态。以柯克亚和玉果区块为例，50561 队和50562 队在二开2000 m 以后就停用节能发电机，采用两台440 kW 康明斯发电机并机运转，仅仅两台康明斯发电机组每天的油耗就要3 t 左右。再加上12 V190 的燃油消耗，每天油耗要在5～5.6 t。每个台月油耗在150 t 左右。由于50LDB 原厂设计配置的节能发电机在大多数工况都无法正常运行，基本处于停置状态，50LDB 钻机成了“油老虎”。

由于节能电发机存在着频率和电压不稳这一致命问题，节能发电机实际运转时效很低。为了保证节能发电机的正常使用、节能降耗、保护电气设备的目的，研制、应用节能发电机稳压、稳频装置。节能发电机稳压、稳频装置存在以下难点：①使用国产电源逆变单元核心元件，其逆变技术，稳定电压、频率的效果不理想；②使用普通的正弦滤波器、变压器，其滤波效果比较差，输出电压和频率波动比较大。

2 稳压、稳频电源设计方案及配置

电源逆变单元核心件采用进口元件，并采用当今最新逆变技术和最先进的工艺技术，所有PCB 电路板采用涂层固化处理；正弦滤波器、输出变压器采用整体真空浸渍绝缘漆和喷涂高温防护漆处理，具有较高的绝缘级别和防护能力。输入电压及范围：380 V±30%（265～490 V）；3Φ4W+G；输入频率及范围：50 Hz±30%（30～80 Hz）；功率因数：≥0.8；输出额定线电压及频率：380 V±0.5%；输出频率及范围：50 Hz±0.01%。稳压、稳频装置是一种成熟的电源装置。可以保证在额定电压3 相380 V允许波动范围323～528 V，动态反应速度快，负载0～100%变化时，稳态反应时间≤20 ms。使用该装置可以使井场电源稳定在400 V、50 Hz。内部设计方案如图2 所示。

图2 内部设计方案

该方案采用了先进的正弦波脉宽调制（SPWM）IGBT 高频逆变技术，内部交—直—交结构，彻底清除电网干扰。经交—直—交变换后输出波形纯净的稳压、稳频高品质电力，保证了装置始终能够向负载提供高质量的交流电源，达到稳压、稳频、抑制浪涌、尖峰、电噪声等。电气控制原理如图3 所示，平面布置如图4 所示。

图3 电气控制原理

图4 平面布置

变频装置产生谐波电流，对系统可产生较大的影响，不仅会产生较大的发热损耗，而且会加速电气设备的绝缘老化，特别是对电缆、变压器运行非常不利。此外，产生谐波严重时，也会对自动控制系统和保护装置产生干扰，使其误动作，影响电网的正常安全运行，通过应用无功补偿装置，可减少无功功率，提高功率因数，有效降低发电机能耗。切换方式如图5 所示。

图5 切换方式

发电机功率800 kW、电压0.4 kV，配置有1 台TZQF 消谐无功补偿装置，TZQF 消谐补偿装置安装总容量为248 kVar，TZQF 装置安装有5 组滤波支路，分别是3 组5 次滤波支路和2组7 次滤波支路，投切方式为全自动运行。

3 实际应用情况

（1）实现电压及频率稳态调节。节能发电机稳压、稳频装置是为调节节能发电机频率，保护电器设备而设计制作。稳压、稳频装置可以保证在额定电压3 相380V 允许波动范围323～528 V，动态反应速度快，负载0～100%变化时，稳态反应时间≤20 ms。使用该装置可以使井场电源稳定在400 V、50 Hz。

（2）滤除谐波电流。TZQF 消谐补偿装置投运后，有效滤除了大量的谐波电流，使主要的5、7、11 次谐波电流由87.1 A、32.2 A，13.7 A 降低为8.6 A、3.4 A，0.7 A，注入系统的谐波电流已控制在国标要求范围内。

（3）改善谐波电压畸变。TZQF 消谐补偿装置投运后，谐波电压畸变得到了很大的改善，发电机正常运行时的低压侧电压波形总畸变率由未投时的13.2%降低至1.5%以下（国标小于5%）。各次谐波电压含有率在国标要求的允许范围内。可见，滤波装置的投运效果非常显著。改善前、后的电压波形如图6 所示。

图6 改善前后的电压波形

（4）有效提高发电机功率因数。TZQF 消谐补偿装置投运后，功率因数也得到了很好的补偿，变压器低压侧的功率因数从0.48 提高至0.95 以上，负荷电流减少56～120 A，运行经济效益十分可观。

（5）优化动力组合，降低柴油消耗。通过动力系统的升级改造，可根据实际工况更为合理地优化机组配置，在负载较轻时启用1 台小功率柴油机，中等负载下启用1 台1300 kW 柴油机，负载较重时启用1 台大功率柴油机和1 台小功率柴油机并机使用，让动力机组在满足钻井负荷的同时刚好有富余功率来驱动节能发电机供电，做到最大限度控制和使用富余功率。通过优化动力组合减少柴油机启用台数，降低了柴油消耗，实现节能发电机的最大限度节能。

2019 年8 月，吐哈钻井公司在玉105 开始现场应用国内第一台节能发电机1000 kV·A 的稳压、稳频装置。经现场测试：在不同工况下柴油机转速基本在900～1300 r/min 范围内波动，稳压、稳频装置24 h 连续工作输出电压400 V，输出频率50 Hz。杜绝了因为柴油机转速波动而造成的供电系统跳闸，节能发电机全井、全工况正常运转。两台柴油发电机组均处于停运状态。从玉105 和温10 井的应用效果证明：该装置性能稳定，节能效果良好。从跟踪的油料消耗数据显示：虽然柴油机的燃油消耗有所增加，但相对于运行两台柴油发电机组，大大降低了燃油消耗。在节能发电机上投用稳压、稳频装置后，节能发电机运转平稳，在各种工况下均可持续运转，充分发挥了技术优势，单井油耗降低15%～20%，推广和应用节能发电机项目一部钻机每年可以创造经济效益228 多万元，在一年内可收回投资成本并创收60 万元。