共用直流母線節能技術在抽油機叢式井的應用

陳學梅 任桂山 李紅艷 王俊立

（1.大港油田公司采油工藝研究院；2.大港油田公司第六采油廠）

1 概述

大港油田以往的開發模式是單井、少井開發模式，井與井之間的距離相距較遠，為降低低壓線路損耗，提高配網的系統效率，在配電方式上采用單井或少井配套50～200 kVA箱式變，6 kV配電變壓器降壓后低壓電纜敷設至油井滿足生產用電需要的方式。

為加快油田勘探開發速度，控制開發成本，提高開發效益，從2017年開始，大港油田的開發模式已從單井、少井向叢式井模式轉變。叢式井模式下，井場征地面積有限，多井集中在一個井場開發和生產，油井之間距離在十米以內，以往的配電方式顯然已不再適應。一方面井場環網柜、箱式變等配電設備數量眾多，占地面積大，加大了配電系統的建設成本；另一方面變壓器數量多、總容量大，也增加了配電系統的損耗。因此，多井集中供配電在叢式井開發模式下勢在必行。

在油井調控方面，單井、少井開發模式下往往不考慮油井的智能調控。在叢式井模式下，油井的智能調控是實現叢式井集約化管理，規模化效益的必要技術手段。隨著油井開采時間的增加，動液面或含水會發生變化，油井的工作制度也需要進行相應調整。為實現油井的自動調參，提高系統效率，油井通常會采用變頻調控技術。

因此，叢式井模式下，多井集中供配電與變頻調控技術的結合是實現叢式井節能降耗、集約化管理和規模化效益的保證。

2 常規變頻調控技術

多井集中供配電，在采用常規變頻調控技術時，抽油機叢式井供配電系統的特點為：多井共用一臺變壓器，變壓器降壓后交流380 V電分配到油井，單井配套變頻設備進行智能調控，見圖1。

圖1 常規變頻調控技術的供配電系統圖

如圖1所示，叢式井采用常規變頻調控技術后，雖然可以實現油井的智能調控，但卻存在以下兩個方面的突出問題：

1）單井變頻器設備端需配置制動裝置或能量回饋單元，增加了變頻設備的配置成本，且能源的利用率較低。抽油機負載的特點決定其可能會存在反發電狀態——再生能量狀態[1]。由于抽油機變頻器的整流單元大都采用不可控整流橋，不能使電流反向流動，當抽油機電動機處于發電狀態時，變頻器從電動機吸收的能量就會存儲在直流環節的電容中，最終導致直流母線電壓的升高，進而會造成變頻設備的損壞。為避免上述問題的發生，抽油機變頻器在直流側一般需要配套制動單元和制動電阻，或者能量回饋單元[2]。前者為能量制動，將電動機的再生能量消耗在電阻上造成了能量的浪費；而后者為回饋制動，需采用有源逆變技術將直流電轉換成與電網同頻、同相的交流電后回饋到交流電網中，雖然在一定程度上提高了能源的利用率，但增加了能量的流動環節，能源的利用率較低。另外有源逆變會產生少量的高次諧波，還需增加濾波的環節才能保證電源側的供電質量，如此，能量回饋單元的成本要高出不少。

2）變壓器二次側低壓系統需配套有源濾波裝置，增加了配電系統的建設成本。在同一低壓系統上多臺變頻設備共同使用，勢必造成系統的諧波污染問題。而系統上還有RTU、視頻監控設備、通訊設備和照明等用電負荷，大量諧波的存在勢必會影響它們的可靠運行。對于負荷經常會發生變化的低壓系統來說，諧波治理的最有效措施是采用有源濾波技術。有源濾波裝置的成本高[3]，其造價大致在2000元/A以上，這無疑增加了配電系統的建設成本。

3 共用直流母線技術

共用直流母線技術是將變頻器的整流單元和逆變單元分開，多臺設備共用一套整流裝置，單臺設備配套逆變器進行調控的一種技術，實質是一種變頻調控技術。這種技術經常應用于同一系統的多臺設備同時存在發電和電動運行狀態的情況，當同一生產系統中一個或多個電動機處于反發電狀態時，由于共用直流母線，其再生能量可以被同一系統中的其它電動機以電動的方式消耗掉，從而達到節能降耗的作用[4-5]。這種技術對于油田抽油機叢式井有很好的適用性。

采用共用直流母線變頻調控技術時，抽油機叢式井配電系統特點為：單井配套逆變裝置，多口油井共用整流裝置，整流后直流DC540 V配出到各單井逆變器，逆變器實現對油井的調控，如圖2。

圖2 共用直流母線技術的系統圖

這種技術具有常規變頻調控技術的調控優點，同時又具有以下優點：

1）多井共用整流裝置，單井調控部分省去整流環節，整流裝置容量大幅下降。對于抽油機負載來說，由于它具有重載起動，輕載運行的特點，因此單井變頻器正常運行情況下，負載率低，僅有1/3左右，容量利用率低。當共用整流裝置后，裝置容量可下降50%以上。在負載多的情況下，系統可配置兩套整流單元，一用一備，提高系統的可靠性。

2）省去油井端制動裝置或回饋裝置，結構簡單，經濟可靠。雖然在整流裝置端配置了制動裝置或回饋裝置，當直流母線電壓超過700 V時投入運行，保證系統的安全可靠，但正常情況下，所有的抽油機電動機不可能同時處于反發電狀態，因此，制動裝置或回饋裝置投入運行的機率很小。

3）由于共用直流母線，各電動機工作在不同狀態時下，能量回饋互補，實行了就地平衡，優化了系統的動態特性，節能效果較常規變頻技術高10%以上。

4）整流裝置前端配套濾波單元，濾波投入小，供電質量有保證。

5）直流DC540 V配出到油井，低壓配電電纜由原來的五芯電纜變為三芯電纜，成本降低1/3以上。

4 應用實踐

2017年大港油田在羊三木油田建設羊1#叢式井，規劃23口抽油機井，單井電動機額定功率33kW，設備總裝機功率759 kW。在羊1#叢式井采用共用直流母線技術后，經濟效益顯著。

在配電系統建設投資方面，與常規變頻調控技術相比降低43萬元，下降42%。在系統諧波方面，諧波含量在國標允許范圍內：諧波電壓總畸變率在4%，5次諧波電壓含量2.8%。

在節電降耗方面，共用直流母線技術更是優勢明顯，年可節電48×104kWh，體現在以下方面：

1）多井集中配電，共用一臺500 kVA配電變壓器，與單井、少井開發模式相比，變壓器容量下降56%，變壓器損耗下降6.5×104kWh/a。實際運行情況表明，變壓器容量可以降低到315 kVA，節能效果更好。

2）單井逆變器實現油井的調控，逆變柜內RTU采集生產運行參數并上傳至油井生產信息平臺，通過智能分析，實現對油井的遠程調參。遠程調參的實現，使抽油機井系統效率保持在一個較高的水平上，這種作用尤其在油井生產的中后期效果越發顯著。單井系統效率可提高15%以上，23口井年節電至少25×104kWh。

3）共用直流母線方式下，系統再生能量就地利用，抽油機平衡狀態不好的情況下，節能可達到10%，23口油井預計年節電16.5×104kWh。

5 結論及建議

共用直流母線技術具有常規變頻調控方式的調控優點，同時能實現抽油機井再生能量的有效利用，具有結構簡單，運行可靠的特點。共用直流母線技術在油田叢式井應用后，既實現了節能降耗，又降低了配電系統的投資成本，諧波污染程度小，是適用于抽油機叢式井的一種節電技術。

參考文獻：

[1]劉慧芬.變頻調速技術在游梁式抽油機中的應用[J].石油礦場機械，2004，33（5）：77-79.

[2]徐甫榮.變頻器在抽油機上應用的若干問題探討[J].電氣傳動自動化，2004（2）：4-8.

[3]胡銘，陳珩.有源濾波技術及其應用[J].電力系統自動化，2000（2）：66-70.

[4]劉一山，曾亞勤，王林平.叢式井組抽油機智能調參節能技術研究與應用[J].石油石化節能，2012（11）：1-3.

[5]趙瑞林.共用直流母線變頻器方案的設計[J].自動化技術與應用，2013，32（11）：75-78.