高瑩（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

引言

游梁式抽油機(jī)作為油田生產(chǎn)的重點(diǎn)能耗設(shè)備，是目前各油田普遍采用的抽油機(jī)，但普遍存在著高能耗、低產(chǎn)出、沖程和沖速調(diào)節(jié)不方便等明顯的缺點(diǎn)[1]。近年來(lái)，隨著變頻節(jié)能控制技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)因其節(jié)能、安全、易控制、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，在油田生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，逐漸成為抽油機(jī)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的主要控制技術(shù)之一[2]。但變頻控制技術(shù)在油田不斷推廣應(yīng)用以及對(duì)變頻控制技術(shù)應(yīng)用的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)的不斷提高，圍繞節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本、提升投資回報(bào)率、改進(jìn)供配電系統(tǒng)供電質(zhì)量以及要求變頻控制技術(shù)優(yōu)化與進(jìn)步等新問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)也隨之出現(xiàn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是油田油井?dāng)?shù)量多，單臺(tái)油井變頻控制柜成本價(jià)格高，單臺(tái)油井變頻控制柜價(jià)格在5～10萬(wàn)元之間，全面普及推廣油井變頻節(jié)能控制系統(tǒng)投資成本高；二是油井變頻控制柜存在自身耗電問(wèn)題，經(jīng)檢測(cè)一般油井變頻控制柜能耗占油井能耗的3%至5%，個(gè)別高的油井變頻控制柜自身能耗占油井總能耗比例甚至達(dá)到15%；三是抽油機(jī)油井存在倒發(fā)電問(wèn)題，如何將抽油機(jī)倒發(fā)電能量加以回饋利用，通常做法是將變頻控制裝置上加裝能量回饋單元，將抽油機(jī)倒發(fā)電能量回饋給電網(wǎng)，這不僅增加每臺(tái)變頻控制裝置的價(jià)格，而且極易產(chǎn)生電網(wǎng)的電能污染；四是大量工業(yè)交直流變換裝置，由于靜止變流器是以開(kāi)關(guān)方式工作的，會(huì)引起電網(wǎng)電流、電壓波形發(fā)生畸變，引起電網(wǎng)的諧波“污染”，部分油井變頻控制柜生產(chǎn)廠家為了節(jié)省成本，未設(shè)計(jì)安裝諧波抑制電路，造成油井諧波信號(hào)嚴(yán)重超標(biāo)，這些對(duì)電網(wǎng)的不利影響不僅會(huì)導(dǎo)致供用電設(shè)備本身的安全性降低，而且會(huì)嚴(yán)重削弱和干擾電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，造成對(duì)電網(wǎng)的“公害”[3]。針對(duì)上述存在的問(wèn)題，在深入調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，圍繞技術(shù)創(chuàng)新，提出了開(kāi)發(fā)研究應(yīng)用一種基于直流供電配置的抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)的技術(shù)解決方案，并在油田生產(chǎn)中得到良好的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用效果。

1 抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由公共直流母線控制系統(tǒng)和多個(gè)變頻終端等部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖1。公共直流母線控制系統(tǒng)包括電力變壓器、進(jìn)線開(kāi)關(guān)、進(jìn)線快熔、整流濾波單元、逆變器等部分。

圖1 基于直流供電配置的抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)組成

1.2 工作原理

該系統(tǒng)采用公共直流母線下掛多個(gè)變頻終端的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。變頻器終端采用一種適合于直流母線供電特點(diǎn)的特種開(kāi)關(guān)電源構(gòu)成方案，變頻主電路采用全控型電力電子器件IGBT 等快速模塊及高頻PWM控制方式。單片機(jī)控制單元采用16 位單片機(jī)Intel87C196MH，完成電動(dòng)機(jī)工作電壓的尋優(yōu)控制算法，并進(jìn)行自動(dòng)控制（即動(dòng)態(tài)調(diào)壓），使抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)始終運(yùn)行在功率因數(shù)和效率最佳的工作狀態(tài)。

6 kV 電網(wǎng)電壓經(jīng)油井電力變壓器輸出三相380 V交流電壓，經(jīng)進(jìn)線開(kāi)關(guān)和進(jìn)線快熔，進(jìn)入整流濾波單元。公共直流母線控制系統(tǒng)整流方式可分為二極管不可控整流、可控硅半控整流和IBGT 全控整流三種方式。整流濾波單元的整流部分一般采用三相二極管不可控整流，以提高其網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，其濾波部分一般采用電感電容濾波，以減少其網(wǎng)側(cè)的電流諧波。各變頻終端把電壓穩(wěn)定的直流電源轉(zhuǎn)化為電壓、頻率可調(diào)的交流電源供給各油井電動(dòng)機(jī)，以滿足各油井電動(dòng)機(jī)平滑調(diào)速的目的。

1.3 系統(tǒng)功能

1）模糊控制功能。該系統(tǒng)結(jié)合信息技術(shù)、模糊控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)和先進(jìn)的傳感器技術(shù)等先進(jìn)高新技術(shù)，使得油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中抽油機(jī)能耗控制得到有效改善。利用變頻調(diào)速技術(shù)，通過(guò)傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)模糊控制。

2）節(jié)能降耗功能。利用變頻調(diào)速技術(shù)，優(yōu)化油井生產(chǎn)參數(shù)，使機(jī)械采油的效率在運(yùn)行過(guò)程始終處于最佳狀態(tài)，有效杜絕設(shè)備空耗，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3）軟啟動(dòng)功能。變頻技術(shù)的應(yīng)用使抽油機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，設(shè)備選型更加合理，解決了抽油機(jī)“大馬拉小車”等技術(shù)問(wèn)題，使油井設(shè)備與油井生產(chǎn)特點(diǎn)更加匹配合理。

4）優(yōu)化調(diào)參功能。變頻技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)就是調(diào)參方便快捷，只要調(diào)整變頻控制柜的輸出頻率變能完成油井沖次等油井生產(chǎn)參數(shù)。對(duì)于供液不足低產(chǎn)液油井，還可以調(diào)整抽油機(jī)上下行程不同時(shí)間，來(lái)提高抽油泵充滿系統(tǒng)，提高油井產(chǎn)液量和系統(tǒng)運(yùn)行效率。

5）倒發(fā)電能量回饋互補(bǔ)共享功能。抽油機(jī)倒發(fā)電量既不發(fā)熱浪費(fèi)消耗，也不返饋電網(wǎng)污染電網(wǎng)，而是在變頻群控系統(tǒng)內(nèi)能量回饋互補(bǔ)共享利用。各電動(dòng)機(jī)工作在不同狀態(tài)下，能量回饋互補(bǔ)共享，優(yōu)化了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

6）諧波抑制功能。公共直流母線控制系統(tǒng)整流濾波單元采用電感電容濾波，減少了電網(wǎng)側(cè)的電流諧波，同時(shí)設(shè)計(jì)安裝有直流電抗器，有效抑制了諧波信號(hào)的產(chǎn)生。

1.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)可靠。該系統(tǒng)采用共用直流母線和共用整流單元，可大大減少整流器的重點(diǎn)配置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，經(jīng)濟(jì)可靠。

2）變壓器減少容量。系統(tǒng)可以大大減少變壓器的容量，減輕電網(wǎng)負(fù)荷，不僅可大大電網(wǎng)電能利用效率，而且可節(jié)省可觀的容量費(fèi)用。

3）減少線路及變壓器損耗。線路功率因數(shù)的提高可降低線路網(wǎng)損，變壓器容量和數(shù)量的減少可減少變壓器的電能損耗量。

4）能容量大。公共直流母線的中間直流電壓恒定，電容并聯(lián)儲(chǔ)能容量大。

5）抽油機(jī)倒發(fā)電能量回饋互補(bǔ)利用。各電動(dòng)機(jī)工作在不同狀態(tài)下，能量回饋互補(bǔ)，優(yōu)化了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

6）系統(tǒng)用電效率高。提高了系統(tǒng)功率因數(shù)，降低了電網(wǎng)諧波電流，提高了系統(tǒng)用電效率。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

該系統(tǒng)2013年在勝利油田某區(qū)塊抽油機(jī)變頻節(jié)能技術(shù)改造中得到推廣應(yīng)用，根據(jù)該區(qū)塊油井的分布特點(diǎn)，采用每5 至8 口油井為一個(gè)供電單元，每個(gè)供電單元配置一臺(tái)油井變壓器，采用基于直流母線供電，按照油井的特點(diǎn)實(shí)時(shí)調(diào)參，滿足生產(chǎn)需要。倒發(fā)電饋能為同一母線上的其他電控終端所共享，充分發(fā)揮采油區(qū)塊多抽油機(jī)的群體優(yōu)勢(shì)，從而達(dá)到綜合節(jié)能的目的。節(jié)能技術(shù)改造前后對(duì)比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

3 應(yīng)用效果分析

1）投資節(jié)省效益。15 口油井原來(lái)配套電動(dòng)機(jī)的額定總功率為450 kW，若采用一口井配套一臺(tái)變頻節(jié)能控制柜，需要配置15 臺(tái)變頻節(jié)能控制柜，配置總功率達(dá)450 kW，按變頻節(jié)能控制柜投資每千瓦2000 元價(jià)格計(jì)算，則需總投資90 萬(wàn)元。同時(shí)，15 口油井原來(lái)配套的變壓器共10 臺(tái)，容量1180 kVA，變壓器價(jià)格1 kVA 按500 元計(jì)算，則需要總投資59 萬(wàn)元。二項(xiàng)合計(jì)，則需要149 萬(wàn)元。

而采用基于直流供電配置的抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)后，15 口油井采用3 套集控系統(tǒng)和15 個(gè)變頻終端，配置總功率360 kW 就能滿足生產(chǎn)工作現(xiàn)場(chǎng)使用要求，每千瓦價(jià)格按1000 元計(jì)算，則需變頻系統(tǒng)投資36 萬(wàn)元。同時(shí)，15 口油井只需變壓器3 臺(tái)，總?cè)萘?60 kVA，變壓器價(jià)格1 kVA 按500 元計(jì)算，則需要總投資18 萬(wàn)元。二項(xiàng)合計(jì)，則需要54萬(wàn)元。

表1 15 口油井節(jié)能技術(shù)改造前后對(duì)比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

二個(gè)方案比較可知，用基于直流供電配置的抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)可節(jié)省投資95 萬(wàn)元。

2）變壓器降容效益。15 口油井原來(lái)配套的變壓器共10 臺(tái)，容量1180 kVA，實(shí)施集控系統(tǒng)后使用變壓器3 臺(tái)，總?cè)萘?60 kVA，實(shí)現(xiàn)減容70%，僅容量費(fèi)一項(xiàng)年預(yù)計(jì)可節(jié)約近30 萬(wàn)元。

3）直接節(jié)能效益分析。由表1 可知，油井改造后單井平均有功功率下降了4.04 kW，按電價(jià)0.6元/kWh，油井時(shí)率按0.95 計(jì)算，則年單井平均節(jié)電價(jià)值可達(dá)4.04×0.6×0.95×24×365＝2.0172×104（元），15 口油井年直接節(jié)能效益為30.258×104元。

4）提高了油井系統(tǒng)效率。由表1 可以知，該系統(tǒng)應(yīng)用后，15 口井平均系統(tǒng)效率由原來(lái)的25.79%提高到目前的33.53%，平均系統(tǒng)效率提高了8.74%，這說(shuō)明油井功率配置更加優(yōu)化合理，抽油機(jī)井系統(tǒng)效率提高明顯。

5）提高了油井功率因數(shù)，減少了線損。從表1中可以看出，該系統(tǒng)應(yīng)用后，15 口井平均功率因數(shù)由原來(lái)的0.56 提高到目前的0.88，平均功率因數(shù)提高了0.32。同時(shí)，線路功率因數(shù)的提高大大地降低了線路網(wǎng)損，

6）降低了油井供配電設(shè)備自身?yè)p耗。一是變壓器容量和數(shù)量的減少大大地減少變壓器的電能損耗量；二采用基于直流供電配置的抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)與采用一口井配套一臺(tái)變頻節(jié)能控制柜相比，油井單臺(tái)變頻柜自身?yè)p耗明顯降低。

7）油井低壓電網(wǎng)諧波信號(hào)得到有效抑制。經(jīng)檢測(cè)，電力變壓器輸出端電壓總畸變率控制在4%以下，完全滿足電力標(biāo)準(zhǔn)要求。

8）滿足油井調(diào)參生產(chǎn)需要。采用基于直流供電配置的抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)的技術(shù)方案后，充分利用各油井變頻終端變頻調(diào)速方便快捷的特點(diǎn)，大大地方便了油井快捷調(diào)參工作的需要。

4 結(jié)語(yǔ)

基于直流供電配置的抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)是一種先進(jìn)的油井變頻節(jié)能技術(shù)改造方案，尤其適用于油井相對(duì)集中的油田開(kāi)發(fā)區(qū)塊內(nèi)應(yīng)用，它能有效解決油井變頻控制技術(shù)推廣應(yīng)用中產(chǎn)生的成本價(jià)格高、自身耗電問(wèn)題、抽油機(jī)油井存在倒發(fā)電問(wèn)題以及油井大量變頻設(shè)備應(yīng)用產(chǎn)生的諧波污染信號(hào)等問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用實(shí)踐證明，該系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，性價(jià)比高，性能優(yōu)越，在油田生產(chǎn)中具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]程明,劉佳暢.淺談變頻技術(shù)在油田抽機(jī)上的應(yīng)用[J].變頻技術(shù)應(yīng)用,2011,6(1):94-114.

[2]朱益飛,楊梅,史紅芳,等.變頻技術(shù)與能量回饋控制在游梁式抽機(jī)上的應(yīng)用分析[J].電力需求側(cè)管理,2013,15(4):27-29.

[3]朱益飛.提高油田電網(wǎng)電能質(zhì)量的探討[J].賽爾電能質(zhì)量,2011,1(10):117-120.