抽油機動態(tài)無功補償裝置研究與應(yīng)用

余冬

[摘 要]在油田開發(fā)后期，油井的產(chǎn)量急劇下降，抽油機在工作中存在不同程度的“泵空”和“干抽”情況，工作效率低、電能損耗大、無效行程增加；電動機的平均負(fù)荷率僅為20%～30%，部分電動機負(fù)荷率更低，造成能源的極大浪費。如何降低抽油機電機電能損耗、提高系統(tǒng)運行效率，對于油田節(jié)能降耗、降低開采成本具有重要的意義。

[關(guān)鍵詞]抽油機；無功補償；節(jié)能降耗

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2017.22.063

[中圖分類號]F273；TM76 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1673-0194（2017）22-0-02

1 研究背景

目前，我國在油田開采機械中應(yīng)用最廣泛的是游梁式抽油機，電氣部分主要由三相異步電動機和控制電路組成，電動機帶動抽油桿作往復(fù)運行，將原油源源不斷地從地下抽到地面。抽油機負(fù)載是以抽油機沖程為周期連續(xù)變化的周期性負(fù)載：抽油桿在下降時負(fù)載很輕，相當(dāng)于空載；而在上升時由于要將原油抽出地面，故負(fù)載很重，相當(dāng)于滿載。隨著油量減少，抽油機滿載的次數(shù)逐漸減少，大部分時間是輕載或空載，而輕載和空載時的功率因數(shù)只有0.2～0.3，因而電動機的負(fù)載率低，功率因數(shù)更低，電能的浪費很嚴(yán)重。

另一方面，目前部分抽油機安裝了普通變頻器，來實現(xiàn)抽油機的調(diào)速功能。普通變頻器大都采用二極管整流橋?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)化成直流，然后采用IGBT逆變技術(shù)將直流轉(zhuǎn)化成電壓頻率皆可調(diào)整的交流電。這種變頻裝置針對游梁式抽油機由于運轉(zhuǎn)不平衡而造成的電動機“倒發(fā)電”，通常采用耗能電阻消耗的方法，但這種方法不僅產(chǎn)生大量的諧波，給電力系統(tǒng)電網(wǎng)帶來諧波污染，同時又造成大量的能源浪費。因此，如何提高抽油機電機的功率因數(shù)，消除諧波污染成為油田節(jié)能的關(guān)鍵。

2 抽油機動態(tài)無功補償裝置

抽油機動態(tài)無功補償節(jié)能裝置主要包括數(shù)據(jù)采集控制單元RTU、電壓采集單元、電流采集單元、整流單元和逆變單元。

數(shù)據(jù)采集控制單元RTU中內(nèi)置電壓過零信號檢測算法。電網(wǎng)電壓通過濾波電路與整流單元的輸入端連接，整流單元的輸出端與逆變單元的輸入端連接，逆變單元的輸出端與抽油機電機的電源端連接，整流單元、逆變單元的信號控制端分別與數(shù)據(jù)采集控制單元的驅(qū)動信號輸出端連接。

抽油機動態(tài)無功補償節(jié)能裝置的電壓過零信號檢測算法，在每一個電網(wǎng)過零信號到來時向數(shù)據(jù)采集控制單元和脈寬調(diào)制信號生成器，發(fā)送過零中斷信號和過零邏輯信號。當(dāng)數(shù)據(jù)采集控制單元響應(yīng)過零中斷請求后，數(shù)據(jù)采集控制單元進入中斷服務(wù)程序，在該中斷服務(wù)程序中數(shù)據(jù)采集控制單元首先判斷信號的正誤，然后啟動每個工頻周期的第一點采樣，每個工頻周期進行12次采樣和計算。電壓電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行計算處理后送至數(shù)據(jù)采集控制單元，數(shù)據(jù)采集控制單元根據(jù)采樣到的信號分析出需要補償?shù)闹C波和無功電流分量，然后數(shù)據(jù)采集控制單元對處理過后的數(shù)據(jù)進行分析處理，計算出控制IGBT的空間電壓矢量。PWM控制信號至驅(qū)動單元控制整流單元和逆變單元的運行，通過向系統(tǒng)注入與需要補償?shù)闹C波和無功電流相等的電流來實現(xiàn)補償，調(diào)節(jié)控制參數(shù)輸出所需波形，實時調(diào)節(jié)電壓波形以跟蹤電網(wǎng)，進而調(diào)節(jié)電流波形和相位以實現(xiàn)所需功率因數(shù)以及穩(wěn)定直流電壓。

抽油機動態(tài)無功補償節(jié)能裝置一方面可以調(diào)整輸入的功率因數(shù)，實現(xiàn)功率因數(shù)可調(diào)節(jié)，通常保持在1左右。同時，當(dāng)抽油機的電動機處于發(fā)電狀態(tài)時，逆變模塊和整流模塊功能互換，實現(xiàn)能量的雙向流動，完成實現(xiàn)功率因數(shù)為1的電能回饋，基本不產(chǎn)生諧波，消除對電網(wǎng)的諧波污染。該裝置在基本解決了抽油機的無功功率補償問題，實現(xiàn)了油田的無功就地補償，基本消除線路上的損耗，以及無功引起線路上的電壓降落，穩(wěn)定了油田電網(wǎng)的末端電壓，增大了抽油機電動機的有功功率。

3 抽油機動態(tài)無功補償裝置的應(yīng)用效果

第X采油廠XX采油工區(qū)現(xiàn)有油井180余口，抽油機的供電方式主要為直接啟動模式。直接啟動的抽油機目前均沒有配置無功補償節(jié)能裝置，主要存在抽油機功率因數(shù)低下，線路電流高，線路及變壓器損耗大等問題。

為了達(dá)到節(jié)能降耗的目的，本文選取其中一條10kV支路，對該支路下的每一臺抽油機加裝無功補償裝置。經(jīng)過測試，系統(tǒng)電流減小了25.04A，線路及變壓器損耗降低了6%，現(xiàn)場的功率因數(shù)由原來的0.44提高到了0.95，如圖1所示。

4 結(jié) 語

抽油機動態(tài)無功補償裝置可補償沖擊性負(fù)載的無功功率，平衡三相有功電流，自動動態(tài)調(diào)整抽油機沖次，實現(xiàn)智能間抽和調(diào)速，提高功率因數(shù)，降低電能損失。同時，該裝置消除了電網(wǎng)的諧波污染，提高了電網(wǎng)質(zhì)量，減少了線路及變壓器損耗，對于油田節(jié)能降耗、降低開采成本具有重要的意義。

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