新疆石西油田電網優化運行研究

趙新

新疆油田公司石西油田作業區

油田電網具有用電量大、負荷密度高、對供電質量及安全性要求高等一系列特點，因此，油田電網運行的安全性、可靠性、經濟性、穩定性對油田生產具有重要意義。如何利用現代化的信息技術提升油田電網的質量，已經成為油田電力系統當前面臨的主要問題。隨著新工藝、新技術和新設備不斷投入使用，新油田的開發和老油田開采規模的擴大速度越來越快，促進了油田電力系統的建設與發展。

伴隨石西油田不斷開發，目前油田進入高含水期，產量不斷下降，但是電量卻逐年上升。油田開采產量與用電量的矛盾一直是油田后期發展的制約因素。由于油田進入高含水期，電網不合理運行也是影響因素。新疆油田電力系統優化運行研究需要簡化電壓層次、提高供電能力、改善電壓質量、更換先進設備、引入先進的電網運行管理理念[1]。具體來說，需要優化10 kV供電線路半徑，進行供配電線路的無功補償，合理選擇變壓器容量，合理規劃供配電線路路徑，提高電網的運行水平。

1 電網運行現狀

石西油田電網處于沙漠腹地，采用110 kV雙回路供電線路供電。目前油田有1座110 kV變電所，5座35 kV無人值守變電所，35 kV配電線路180 km，10 kV線路490 km，配電變壓器832座。全年作業區用電量為8 000×104kWh，該電量包括油氣生產用電和生活用電，所占比例為96.4%和3.6%。2017年全年電費總額達到6 658萬元。

通過調整石西油田電網運行方式、電費支出等相關數據的研究認為，改變用電負荷側運行方式并對電網進行合理調整，引進先進的節能節電設備，同時淘汰更新用電設備是實現油田電力系統優化的有效方法[2]。

2 10 kV配電網優化

2.1 10 kV供電線路

2.1.1 供電線路半徑優化調整

通過對線路運行支線摸底調查，對老油區支線油井關井停止生產、無需電力支持的支線拆除線路過橋，減少供電半徑，這樣能有效降低空載線路長度，提高供電線路的穩定性。

2.1.2 供配電線路無功補償

由于石西油田電網負荷中抽油機為主要用電負荷，并且抽油機電動機需要大的啟動電流，普通抽油機電動機自然運行功率因數偏低，導致整個電網無功功率過高。為了提高配電網功率因數，必須對電網實施無功補償。無功補償分為低壓無功就地（動態）補償、高壓配電網絡無功分散補償和變電所高壓無功自動跟蹤補償[3]。

單井低壓就地補償采用在抽油機配電控制箱內安裝三組電容補償，分為固定補償和單井負荷變化動態補償。這項技術已經在國內油田普遍應用且效果良好。

單井低壓就地補償后，油田10 kV配電網絡無功功率波動很大，而且存在補償不足情況，因此經過對整個電網的負荷計算，選取合理的位置在10 kV配電網上安裝高壓無功自動補償裝置。該裝置通過采集配電網電流變化情況，通過智能控制系統調整無功補償電容量的投入和切出，以保證整個電網不會出現過補償和欠補償的情況。

經過就地補償和線路動態補償后，配電網的功率因數基本達到標準水平，但變電所主變本身也需要一定的無功功率。如果這一級不進行補償，就要通過35 kV線路從上一級變電所輸送無功功率，將產生高壓網損[4]。

由于單井無功補償存在電容損壞和交流接觸器損壞等問題，所以需定期更換電容和交流接觸器。根據采油供電線路的長短、負荷的大小，分別在線路的中、末端加裝高壓無功補償裝置。2012年，石西作業區加裝高壓無功補償裝置，使線路功率因數提高了20%，有效減少了線路無功功率。供電線路采取變電所集中補償、線路分散補償和低壓就地補償三種方式相結合，有效地提高了電網供電質量。

2.2 配電變壓器

2.2.1 更新淘汰高耗能變壓器

石西油田在用S7型及S7型以前系列變壓器屬明令淘汰的高耗能變壓器，目前使用高耗能變壓器占變壓器總數的20%。通過西北節能中心對油區內在用變壓器進行專項測試，結果表明：S9、S10、S11型變壓器與S7型高耗能變壓器比較，空載損耗平均降低30%，負載損耗平均降低20%[5]。

針對淘汰S7型變壓器的統計排查，共計更換150臺S7型變壓器。委托實驗檢測研究院對改造前后20臺變壓器（新型變壓器）進行測試，結果表明：平均空載無功損耗由1.800 kvar下降到0.767 kvar，下降了57.4%；平均有功功率損耗由0.395 kW下降到0.357 kW，下降了9.64%；平均無功功率損耗由2.216 kvar下降到1.281 kvar，下降了42.19%；平均運行效率由97.647%上升到97.869%，上升了0.227個百分點。

2.2.2 合理調整變壓器容量

隨著變壓器技術的不斷進步和變頻技術的發展，變壓器容量與臺數的合理配合能夠實現變壓器經濟合理運行。輸配電變壓器的臺數和容量也需要根據負荷變化適時調整，根據井位和配電線路位置合理安裝配電變壓器，將大容量變壓器通過低壓線路從以前的一對一供電改為一對多供電模式[6]。

通過委托實驗檢測研究院對5條10 kV線路變壓器空載率和負荷率進行了測試，測試結果見圖1、圖 2。

圖1 變壓器負荷率Fig.1 Transformer load rate

圖2 變壓器負載、空載數量對比Fig.2 Comparison between load and no-load transformer

由圖1可知，石西油田負載變壓器平均負荷率為22.1%。負荷率偏低是導致變壓器運行效率降低、電力系統變壓器損耗率升高的重要原因之一[7]。造成變壓器負荷率偏低的主要原因是變壓器選擇的容量過大，考慮到變壓器容量選擇涉及的因素較多，根據抽油機等設備負荷特點，合理配置和調換變壓器，以達到提高變壓器負荷率的目的。

由圖2可知，在測試的5條油田高壓（10 kV）配電網中，實際測試安裝變壓器共206臺，總容量為15 367 kVA。其中，負載變壓器有139臺，占總數的67.5%，容量為10 913 kVA，占總容量的71%；空載變壓器有67臺，占總數的32.5%，容量為4 454 kVA，占總容量的29%。

調整大容量變壓器，在不影響抽油機正常生產情況下，將100 kVA變壓器調整為80 kVA或者63 kVA。對于已經關井變壓器斷開跌落式熔斷器，這樣能有效減少變壓器空載損耗[8]。

3 主要耗電設備的優化

石西油田生產過程中主要耗電設備是電動機，電動機耗電量占原油生產耗電總量的90%以上，采油設備、注水設備、油氣集輸三大系統的電力驅動裝置幾乎全部為電動機，因此，電動機是油田的主要用電設備。

抽油機專用節電器（單井動態節能裝置）是專門設計用于抽油機的節電控制裝置[9]。為此，采用單井動態節能裝置，根據抽油機負荷變化情況，在不改變電動機轉速的條件下，保證電動機的輸出功率與負荷需求匹配。同時采用變頻技術和低壓無功補償技術，采用低電流大轉矩啟動抽油機，減少峰值電流對電網的沖擊。根據4口井的調查分析（表1），對出液量變化大的單井采用動態節能裝置有功節電率可達30%。

表1 動態節能裝置測試Tab.1 Test of dynamic energy saving device

目前注水系統均采用低壓變頻調節和工頻相配合使用，可有效節約電量[10]。但高壓變頻技術目前應用不是很成熟，而且成本也高。

4 電網智能化管理

油田智能化配電網在運行時能夠提高電網的運行安全水平和在線監測數據質量，而且可以對用電設備進行可視化管理，實現配電網運行管理和停運管理的自動化與信息化，實現電力運營商與電力終端用戶的信息互動[11]。

4.1 配電線路10 kV故障在線監測

影響油氣生產的最大電力危害就是故障停電，尤其在沙漠地區，地形復雜、氣候條件惡劣，電力故障經常發生。傳統方式采用人工巡檢查找故障，這樣不僅浪費時間而且有時很難查找到故障點。為此，需要一整套電網故障在線監測系統，以有效地判斷故障范圍和故障點，減少停電時間。目前石西作業區在10 kV線路主要支線和主干線上安裝了線路故障指示器，應用效果顯著，主要包括線路接地故障指示、線路短路故障指示功能。故障指示器的應用大大縮短了故障排查時間，減少了油氣損失。

由于該故障指示器無法實現在線監控，只能靠人工現場確認，在一定程度上存在弊端。為了能高效快捷地查找故障點，采用基于GPRS技術的在線監測系統進行在線故障定位：檢測短路、接地、過流、三相不平衡、斷線、停電、竊電、電力設備非法移動等故障狀態，在本地和遠程指示，并自動定位故障點（故障區段）。

4.2 各站配電系統在線監測及能耗分析

由于在各站系統運行中，技術人員不能直觀地了解各個系統耗電設備的運行情況，包括功率因數、有功功率和無功功率、耗電變化曲線等參數，需建立一套完整的耗電設備在線監測和能耗分析系統，能夠在線顯示各個系統能耗變化及各項電能運行參數[12]，技術人員可以根據這些參數分析設備的運行電能變化，從而提出合理的節電運行方式。目前作業區已經開始進行系統的前期規劃和建設。

5 結束語

油田電網優化運行是油田節能降耗的根本，只有通過多種手段結合才能合理地提高電能的利用率和經濟效益。伴隨電網技術的不斷發展，油田開發同時加強電網的技術革新，需引進先進的電網管理技術。電力管理者要根據油田生產數據變化不斷調整電網內電氣設備運行方式，與此同時，不斷更新改革節能設備，真正實現油田電網安全、可靠、經濟運行。