一種基于直流供電配置的抽油機變頻群控系統

高瑩（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

引言

游梁式抽油機作為油田生產的重點能耗設備，是目前各油田普遍采用的抽油機，但普遍存在著高能耗、低產出、沖程和沖速調節不方便等明顯的缺點[1]。近年來，隨著變頻節能控制技術的發展，變頻調速節能控制技術因其節能、安全、易控制、操作方便等優點，在油田生產領域得到廣泛應用，逐漸成為抽油機電力拖動系統的主要控制技術之一[2]。但變頻控制技術在油田不斷推廣應用以及對變頻控制技術應用的實踐與認識的不斷提高，圍繞節能降耗、降低生產成本、提升投資回報率、改進供配電系統供電質量以及要求變頻控制技術優化與進步等新問題和技術難點也隨之出現，主要體現在以下幾個方面：一是油田油井數量多，單臺油井變頻控制柜成本價格高，單臺油井變頻控制柜價格在5～10萬元之間，全面普及推廣油井變頻節能控制系統投資成本高；二是油井變頻控制柜存在自身耗電問題，經檢測一般油井變頻控制柜能耗占油井能耗的3%至5%，個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到15%；三是抽油機油井存在倒發電問題，如何將抽油機倒發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，將抽油機倒發電能量回饋給電網，這不僅增加每臺變頻控制裝置的價格，而且極易產生電網的電能污染；四是大量工業交直流變換裝置，由于靜止變流器是以開關方式工作的，會引起電網電流、電壓波形發生畸變，引起電網的諧波“污染”，部分油井變頻控制柜生產廠家為了節省成本，未設計安裝諧波抑制電路，造成油井諧波信號嚴重超標，這些對電網的不利影響不僅會導致供用電設備本身的安全性降低，而且會嚴重削弱和干擾電網的經濟運行，造成對電網的“公害”[3]。針對上述存在的問題，在深入調查研究的基礎上，圍繞技術創新，提出了開發研究應用一種基于直流供電配置的抽油機變頻群控系統的技術解決方案，并在油田生產中得到良好的現場試驗應用效果。

1 抽油機變頻群控系統

1.1 系統組成

該系統主要由公共直流母線控制系統和多個變頻終端等部分組成。系統結構組成見圖1。公共直流母線控制系統包括電力變壓器、進線開關、進線快熔、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變頻群控系統組成

1.2 工作原理

該系統采用公共直流母線下掛多個變頻終端的拓撲結構。變頻器終端采用一種適合于直流母線供電特點的特種開關電源構成方案，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。單片機控制單元采用16 位單片機Intel87C196MH，完成電動機工作電壓的尋優控制算法，并進行自動控制（即動態調壓），使抽油機電動機始終運行在功率因數和效率最佳的工作狀態。

6 kV 電網電壓經油井電力變壓器輸出三相380 V交流電壓，經進線開關和進線快熔，進入整流濾波單元。公共直流母線控制系統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，以提高其網側功率因數，其濾波部分一般采用電感電容濾波，以減少其網側的電流諧波。各變頻終端把電壓穩定的直流電源轉化為電壓、頻率可調的交流電源供給各油井電動機，以滿足各油井電動機平滑調速的目的。

1.3 系統功能

1）模糊控制功能。該系統結合信息技術、模糊控制技術、計算機技術、變頻調速技術和先進的傳感器技術等先進高新技術，使得油田開發過程中抽油機能耗控制得到有效改善。利用變頻調速技術，通過傳感器技術實現模糊控制。

2）節能降耗功能。利用變頻調速技術，優化油井生產參數，使機械采油的效率在運行過程始終處于最佳狀態，有效杜絕設備空耗，從而達到節能降耗的目的。

3）軟啟動功能。變頻技術的應用使抽油機實現了軟啟動，設備選型更加合理，解決了抽油機“大馬拉小車”等技術問題，使油井設備與油井生產特點更加匹配合理。

4）優化調參功能。變頻技術的最大優點就是調參方便快捷，只要調整變頻控制柜的輸出頻率變能完成油井沖次等油井生產參數。對于供液不足低產液油井，還可以調整抽油機上下行程不同時間，來提高抽油泵充滿系統，提高油井產液量和系統運行效率。

5）倒發電能量回饋互補共享功能。抽油機倒發電量既不發熱浪費消耗，也不返饋電網污染電網，而是在變頻群控系統內能量回饋互補共享利用。各電動機工作在不同狀態下，能量回饋互補共享，優化了系統的動態特性。

6）諧波抑制功能。公共直流母線控制系統整流濾波單元采用電感電容濾波，減少了電網側的電流諧波，同時設計安裝有直流電抗器，有效抑制了諧波信號的產生。

1.4 系統特點

1）結構簡單，經濟可靠。該系統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配置，結構簡單合理，經濟可靠。

2）變壓器減少容量。系統可以大大減少變壓器的容量，減輕電網負荷，不僅可大大電網電能利用效率，而且可節省可觀的容量費用。

3）減少線路及變壓器損耗。線路功率因數的提高可降低線路網損，變壓器容量和數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，電容并聯儲能容量大。

5）抽油機倒發電能量回饋互補利用。各電動機工作在不同狀態下，能量回饋互補，優化了系統的動態特性。

6）系統用電效率高。提高了系統功率因數，降低了電網諧波電流，提高了系統用電效率。

2 現場應用情況

該系統2013年在勝利油田某區塊抽油機變頻節能技術改造中得到推廣應用，根據該區塊油井的分布特點，采用每5 至8 口油井為一個供電單元，每個供電單元配置一臺油井變壓器，采用基于直流母線供電，按照油井的特點實時調參，滿足生產需要。倒發電饋能為同一母線上的其他電控終端所共享，充分發揮采油區塊多抽油機的群體優勢，從而達到綜合節能的目的。節能技術改造前后對比統計數據見表1。

3 應用效果分析

1）投資節省效益。15 口油井原來配套電動機的額定總功率為450 kW，若采用一口井配套一臺變頻節能控制柜，需要配置15 臺變頻節能控制柜，配置總功率達450 kW，按變頻節能控制柜投資每千瓦2000 元價格計算，則需總投資90 萬元。同時，15 口油井原來配套的變壓器共10 臺，容量1180 kVA，變壓器價格1 kVA 按500 元計算，則需要總投資59 萬元。二項合計，則需要149 萬元。

而采用基于直流供電配置的抽油機變頻群控系統后，15 口油井采用3 套集控系統和15 個變頻終端，配置總功率360 kW 就能滿足生產工作現場使用要求，每千瓦價格按1000 元計算，則需變頻系統投資36 萬元。同時，15 口油井只需變壓器3 臺，總容量360 kVA，變壓器價格1 kVA 按500 元計算，則需要總投資18 萬元。二項合計，則需要54萬元。

表1 15 口油井節能技術改造前后對比統計數據

二個方案比較可知，用基于直流供電配置的抽油機變頻群控系統可節省投資95 萬元。

2）變壓器降容效益。15 口油井原來配套的變壓器共10 臺，容量1180 kVA，實施集控系統后使用變壓器3 臺，總容量360 kVA，實現減容70%，僅容量費一項年預計可節約近30 萬元。

3）直接節能效益分析。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0.6元/kWh，油井時率按0.95 計算，則年單井平均節電價值可達4.04×0.6×0.95×24×365＝2.0172×104（元），15 口油井年直接節能效益為30.258×104元。

4）提高了油井系統效率。由表1 可以知，該系統應用后，15 口井平均系統效率由原來的25.79%提高到目前的33.53%，平均系統效率提高了8.74%，這說明油井功率配置更加優化合理，抽油機井系統效率提高明顯。

5）提高了油井功率因數，減少了線損。從表1中可以看出，該系統應用后，15 口井平均功率因數由原來的0.56 提高到目前的0.88，平均功率因數提高了0.32。同時，線路功率因數的提高大大地降低了線路網損，

6）降低了油井供配電設備自身損耗。一是變壓器容量和數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變頻群控系統與采用一口井配套一臺變頻節能控制柜相比，油井單臺變頻柜自身損耗明顯降低。

7）油井低壓電網諧波信號得到有效抑制。經檢測，電力變壓器輸出端電壓總畸變率控制在4%以下，完全滿足電力標準要求。

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

4 結語

基于直流供電配置的抽油機變頻群控系統是一種先進的油井變頻節能技術改造方案，尤其適用于油井相對集中的油田開發區塊內應用，它能有效解決油井變頻控制技術推廣應用中產生的成本價格高、自身耗電問題、抽油機油井存在倒發電問題以及油井大量變頻設備應用產生的諧波污染信號等問題。現場試驗應用實踐證明，該系統技術先進，性價比高，性能優越，在油田生產中具有良好的推廣應用價值。

[1]程明,劉佳暢.淺談變頻技術在油田抽機上的應用[J].變頻技術應用,2011,6(1):94-114.

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

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