叢式抽油機井組無功動態補償計算與應用*

高寶元（中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院）

叢式抽油機井組無功動態補償計算與應用*

高寶元（中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院）

針對長慶油田叢式抽油井組大部分負載端功率因數在0.4左右，電能浪費情況十分嚴重，通過抽油機井組負載端無功動態補償計算，應用無功動態補償裝置，使叢式抽油機井組負載端的功率因數由0.4左右提高到0.9以上，大幅度降低了抽油機電動機的無功損耗、有功線損和電網運行電流。這一技術應用在長慶油田數以千計叢式抽油機井組上將會取得良好的節電效果，從而節約采油廠原油生產成本。

抽油機井組無功動態補償計算應用

引言

長慶油田采取叢式抽油機井組進行抽油，抽油機電動機的選配通常是根據相應額定載荷來確定，除考慮到正常啟動電動機轉矩外，還須考慮碰泵、打驢頭等常規性電動機額外轉矩的需求，電動機必須留出一定的功率富余量。這樣抽油機正常工作時處于低負荷工況，導致電動機功率因數低下；另外，由于抽油機拖動電動機的負荷隨著原油物性和井筒及井下狀態的變化而變化，致使電動機有功功率和無功功率隨之發生變化，導致電動機的功率因數頻繁變動。

為了提高電動機功率因數，通常只是簡單地在抽油機的電控箱中安裝相應定值電容器來對無功功率進行補償，由于這種方式對抽油機特殊負載并不完全適用，使定值補償電容器極易損壞，無功功率補償達不到理想效果，造成電動機功率因數依然低下，電能損耗較大。針對這種生產現狀，通過合理的叢式抽油機井組無功動態補償計算，應用無功動態補償裝置，在叢式抽油機井組負載端進行無功功率動態補償，解決了抽油機井組功率因數低、無功損耗過大的問題。

1 無功動態補償

1.1補償原理

1.2無功動態補償的采樣方法及補償量的確定

通過電壓和電流變送器，任取某一時刻的電壓、電流信號作為一組數據，將無功功率檢測出來，這樣取出若干組數據，計算出若干組無功數值以求達到cos ?值。設定狀態的電網無功功率為QO，當電動機的QL＞QO時，測得的無功變化量ΔQ=QL-QO，再結合數字濾波技術和PLC控制器，把電動機無功補償量值QD準確快速地檢測出來。這樣既避免了隨機干擾又避免了檢測功率因數不準確所帶來的誤差。當QD-ΔQ=0時，即達到動態補償平衡狀態，確保了cos ?等于設定值。

圖1 無功功率動態補償確定量方框圖

第三路共補容量配置：Δ補=12kvar-0.45kV×1組；

第四路共補容量配置：Δ補=15kvar-0.45kV×1組；

第五路共補容量配置：Δ補=20kvar-0.45kV×1組；

第六路共補容量配置：Δ補=35kvar-0.45kV×1組。

無功動態補償裝置電接線圖見圖2。

圖2 無功動態補償裝置電接線圖

1.3無功動態補償容量的計算

PLC控制器把當前的功率因數與設定功率因數的上、下限進行比較，并計算出電網中的無功負荷，以分補與共補相結合，按“取平補齊”的原則進行邏輯判斷，并連續不斷地檢測線路的無功功率情況，以線路無功功率作為控制物理量，根據叢式抽油機井組負載端設定的功率因數上、下限來處理這些物理量，并發出控制信號來觸發高頻度功率模塊的導通與關斷，從而控制投、切電容器的組數及投、切電容器的容量，達到對無功功率的自動動態補償，使電網功率因數始終處于良好的工況狀態。

長慶油田叢式抽油機井組供電變壓器的容量通常為160 kVA或180 kVA。在此，以180 kVA變壓器作為補償對象來確定補償電容的基本容量數。通常叢式抽油井組變壓器負載側平均功率因數在0.4左右，補償后功率因數達到0.9以上，理論上需補償電容量為90 kvar。根據電容選取系數k=1.2（k=1.1～1.5），則理論配置容量的取值為108 kvar。

考慮到各電動機負載往往存在不平衡的情況，將單元電容器組采用共補與分補“Δ－Y”相結合的接線方式。實現電容補償的三相共補與分補的統一。按“取平補齊”原則，由PLC控制器計算出每相所需補償容量，減去共補容量，剩余部分作為分補時每相的補償容量。共補方式接成“Δ”型式，分補部分投、切單元的電容器組接成“Y”型式。

根據叢式采油井組負載側的工況特征，對180 kVA變壓器供電的抽油機井組無功功率動態補償容量分級，為確保動態補償后的功率因數達到設計要求，將108 kvar電容總量分為六路，其中：分補（Y補）一路，共補（Δ補）五路。具體分配如下:

第一路分補容量配置：Y補=6kvar-0.25kV×3組；

第二路共補容量配置：Δ補=8kvar-0.45kV×1組；

2 無功動態補償裝置應用效益計算

2013年9月在長慶油田第三采油廠吳30-8井組安裝一臺抽油機井組無功動態補償裝置，井場有8臺抽油機，總功率為148 kW，叢式抽油機井組供電變壓器的容量為180 kVA。

2.1綜合節電和節電率計算

叢式抽油機井組輸入功率由抽油機系統效率測試儀直接讀出，見表1。

表1 無功動態補償投、切狀態節能數據統計計算[1]

依據石油天然氣行業標準SY/T 5264—2012《油田生產系統能耗測試和計算方法》和SY/T 6422—2008《石油企業節能產品節能效果測定》進行測試和評定。根據表1計算如下：

綜合節電[2]：綜合節電=無功折合+有功節約=（64.1×0.09）kW-1.0 kW=4.8 kW，其中：0.09為無功經濟當量（kW/kvar），那么日綜合節電量為4.8 kW×24 h=115.2 kWh。

經計算綜合節電率[2]為18.43%。

以電費0.8元/kWh計算[5]，每井組有效工作時間按360天計算，吳30-8井組應用無功動態補償裝置每年可節約電費33 177元。

2.2供電系統負載側能耗分析[1-4]

電動機功率因數的提高，能減少線路損耗及變壓器的銅損。設ΔP1為原線路損耗，ΔP2為功率因數提高后線路損耗，則無功動態補償裝置安裝前后線路損耗差為ΔP=ΔP1-ΔP2=3R（I12-I2

根據測試數據，動態補償投入前、后的功率因數（平均值）為：投入前cos ?1=0.34，投入后cos ?2= 0.97。由式ΔP2/ΔP1≈(cos ?1/cos ?2)2得出無功動態補償投入后，電網銅損降低率為87.7%。

以上效益僅為直接效益，對叢式抽油機井組而言，由于低壓側損耗的降低而折合到高壓側的損耗降低沒有計算在內。由此可以看出，通過叢式抽油井組負載側無功功率進行動態補償計算與應用，對油田叢式抽油井組開發而言，有著積極的作用和顯著的節能效果。

3 結語

叢式抽油機井組無功動態補償裝置，無觸點自動補償動態響應快，工作可靠。大幅度提高了負載側的功率因數，有效降低了電網無功損耗。長慶油田的新老叢式抽油機井組有數千個，并且每年還在增加新的井組。所以，如果無功動態補償裝置在采油領域推廣應用，將會取得顯著的經濟效益。

[1]吉效科.石油設備節能技術[M].北京:中國石化出版社, 2011:235-247.

[2]俞伯炎,吳照云,孫德云.石油工業節能技術[M].北京:石油工業出版社,2000:259-290.

[3]宗鐵,雍自強.油田企業節能技術與實例分析[M].北京:中國石化出版社,2010:159-165.

[4]穆劍.油氣田節能監測[M].北京:石油工業出版社, 2013:156-161.

10.3969/j.issn.2095-1493.2014.012.003

2014-09-26）

高寶元，2008年畢業于西安交通大學（電氣工程及自動化專業），從事石油自動化儀器儀表研究工作，E-mail：gcy_gby@ 126.com，地址：陜西省西安市未央路151號長慶興隆園小區老中學辦公樓，710018。

中國石油集團川慶鉆探工程公司基金資助項目（CQ2014B-11-2-3）。