井組節能錯峰控制柜設計及應用效果分析

韓民強，劉 學，丁建軍

（渤海石油裝備（天津）新世紀機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

隨著鉆井、勘探等技術的不斷提高，水平井、大斜度井已經成為當今油氣田開采的主要趨勢，隨之而來的是大井組平臺的出現。這些平臺往往矗立著幾臺、十幾臺，甚至幾十臺抽油機，控制系統大多采用變頻控制。一臺抽油機一般需要十幾到幾十千瓦的電機提供動力，一個平臺就需要上百千瓦甚至幾百千瓦的電源供電。在我國一些偏遠的油氣田建立在沙漠、戈壁灘等人煙稀少，電網不能覆蓋的區域，需要燃氣、燃油發電機進行供電。近些年又出現了光能、風能等輔助發電設備。

經研究發現，抽油機在正常運行期間，所需平均電流只有電機額定電流的1/4～1/3，甚至更低，而電機的啟動電流一般都較大，為額定電流的2～3 倍。并且抽油機每個沖程周期內，電機電流是時刻變化的，其中最大電流發生在上沖程期間。當一個井組的所有抽油機都運行到最大功率或處于開機狀態時，平臺的發電設備將達到供電峰值，這個峰值決定了這個平臺發電設備的等級。然而在正常運行時，所需的功率不到發電機額定發電功率的1/2，這造成了極大的選型浪費，增加了用戶的投入成本。

同時，在抽油機運行到下沖程期間還會出現反發電的現象。受井況、抽油機型號以及抽油機平衡度等因素的影響，反發電的程度有所不同。這些反發電能量如果回饋到電網，會對電網造成“污染”。為了消除電網“污染”，常規的做法是在抽油機變頻柜內增加大功率的制動電阻，將反發電的能量通過制動電阻轉化為熱能的形式消耗掉，同時也造成了大量的能源浪費。

大井組平臺在發電設備的投入上是非常巨大的，給油氣田開發企業在生產運行中帶來了相當大的壓力。為了解決上述兩種浪費的難題，本文設計一種井組節能錯峰控制柜，并對其應用效果進行分析總結。

1 設計方案

1.1 控制流程設計

為解決叢式井裝機容量大、電能浪費嚴重，易出現停機故障的問題，設計井組節能錯峰控制系統。井組節能錯峰控制系統包括共直流母線技術及錯峰控制技術。

（1）變頻器共直流母線技術：將若干臺抽油機變頻器的直流母線連接在一起，將電機的反發電能量反饋給共直流母線的其他抽油機變頻器，作為其他電機的能源，從而達到降低能耗的目的。電路連接可采用1 個變頻器對應1 臺抽油機的一對一模式，也可采用共用1 套獨立整流單元總成、制動電阻單元、濾波單元總成，將逆變單元與抽油機電機一對一控制連接。由于第二種方法的整流單元總成、濾波單元總成發生故障后會造成整個井組停機的嚴重后果，故在設計中暫不考慮。本設計方案采用變頻器與抽油機電機的一對一控制模式。

（2）錯峰控制技術：采用專用的可視化PLC 控制器，對抽油機控制系統的變頻器頻率進行錯峰調整，讓平臺多臺抽油機的電機不能同時達到功率峰值，降低井場總功率的峰值。功率錯峰控制流程如圖1 所示。可視化PLC 控制器依靠通信線與平臺上的每臺抽油機變頻器之間進行數據通信，實時讀取變頻器的電參數，計算總功率峰值，并判斷是否允許停止的抽油機進行啟動操作。然后計算每臺抽油機的功率峰值間隔時間，并預判功率峰值段的重合時間及數量。每臺抽油機的功率峰值段及重合數量可以通過可視化PLC 控制器手動進行設置。當功率峰值段重合數量達到設定值時，開始按照預先在可視化PLC 控制器上設定的優先級調整抽油機變頻器頻率，從而達到錯開總功率峰值的目的。為了不影響井場總體產量，調整均為微調，并具備頻率調整錯開峰值后恢復到調整前頻率的功能。

圖1 功率錯峰控制流程

1.2 控制柜設計

控制柜的設計分為主控柜和分控柜。控制柜采用油氣田通用的AC 380 V，50 Hz 電源進線。主控柜里面有可視化PLC 控制器和1 個抽油機控制單元，可視化PLC 控制器采用1 拖N 的設計模式，即1 個控制器可以控制井場N 臺抽油機運轉，本設計方案中N 最高為9。1 個分控制內包括2 個抽油機控制單元。分控柜可根據井場抽油機的數量進行自由拼接。每臺控制柜的兩側均有6 個固定螺栓，用于兩臺并排柜體之間的緊固連接，位于最外側一面的螺栓要保留，防止漏雨。根據井場多雨及風沙大的特點，控制柜采用防塵、防雨設計。每臺控制柜內具有獨立的溫度控制單元，控制溫度可手動設定。當控制柜內溫度高于設定的上限溫度時，散熱風機自動開啟進行散熱；當控制柜內溫度低于設定的下限溫度時，加熱器自動開啟進行加熱，從而保證可視化PLC 控制器、變頻器及其他電器元件處于最佳的工作環境，延長設備無故障運行時間。

主控柜中主控單元電路如圖2 所示，主要元件包括：①主空開QF0：負責整個控制柜（包括主控柜和分控柜）的電源通斷；②浪涌保護器：把線路中瞬時過電壓限制在設備或系統所能承受的電壓范圍內；③備用插座：安裝有1 個兩孔、1 個三孔插座，便于設備維護；④可視化PLC（觸摸屏控制器）：實現錯峰控制、參數設定、電參數采集、顯示等功能。

圖2 主控單元電路

控制柜內的抽油機控制單元的控制電路集中在一個獨立的二層板上，每臺抽油機都有單獨的電氣控制部分，互不影響。所有進出線均在控制柜后部連接，控制柜前端沒有連線，提高了現場操作的安全性。當一臺抽油機電控部分發生故障，可直接將對應控制單元所在的二層板從控制柜上拔下來，換上一套新的即可，不需要在現場進行檢修，快速恢復井場的正常作業。由于控制柜柜體較重，絕大部分井場位置比較偏僻，吊車使用不方便，所以控制柜柜體安裝時可以先將控制柜內的二層板卸下，柜體安裝完成后再裝上二層板。但要注意，二層板必須輕拿輕放，不能磕碰。

2 應用效果分析

試驗井場選擇煤層氣井2 個平臺。A 平臺為在用井場，共有7 臺6 型抽油機，每臺抽油機的電機為18.5 kW，共計129.5 kW。井場照明、伴熱等其他設備用電共計約20 kW。井場總裝機功率149.5 kW，井場配備的發電機總功率為160 kW。該井場經常發生發電機停機故障，尤其是在有抽油機檢修停機后再啟動時和井場其他用電設備同時工作時，故障發生的概率更大。經了解，該井場抽油機設計為15 kW 電機，后續由于生產需要，更換為18.5 kW 電機，但發電機組始終未能擴容。為解決上述問題，現場安裝了節能錯峰控制柜進行試驗。

試驗前后各自進行了大約7 萬秒的總功率監測。設備安裝前，在監測數據的1 萬秒和7 萬秒附近出現2 次功率峰值，峰值功率達到正常運行功率的125%左右，負功率（反發電）現象非常嚴重，對供電系統沖擊大。改造前井場功率監測圖如圖3 所示，橫坐標為時間軸，縱坐標為功率值。

圖3 改造前井場功率監測

控制柜安裝完成后，穩定運行1 個星期后開始進行監測（圖4）。生產運行時總功率平均值基本一致，功率峰值較平穩，未出現突然大幅增加的情況，負功率偶爾出現，但是相比于改造前有明顯好轉。

圖4 改造后井場功率監測

B 平臺為新井場，共有5 臺6 型抽油機，每臺抽油機的電機為18.5 kW，共計92.5 kW。井場照明、伴熱等其他設備用電共計約20 kW。井場總裝機功率112.5 kW，井場配備的發電機總功率為160 kW。安裝后運行3 個月，未發生因功率過載造成的發電機停機故障，生產運行時總功率平均值基本一致，功率峰值較平穩。經數據監測未出現短時的較大峰值，負功率情況也相對較少。

3 總結

通過現場應用表明，井組節能錯峰控制柜在降低井場總功率峰值及減少反發電情況方面切實有效，達到了設計預期。該控制技術為偏遠地區油氣田大井組的井場提供了一種降低發電機裝機容量的可行性方案，降低了用戶在發電設備方面的投入。抽油機反發電能量的再利用使得用電效率更高，起到了節能降耗的作用。控制柜內部結構的獨特設計在實際應用中發揮了重要的作用，有效減少吊車等輔助設備、工具的投入，降低工人的勞動強度。但是，從該控制技術的應用效果分析，也存在需要提高的方面：①抽油機反發電情況并未完全消除，控制柜內還需要配備制動電阻單元消耗掉反發電能量，需要后續繼續優化控制程序，提高控制精度；②降低井組總功率峰值的功能雖然初步實現，但通過后期的控制程序優化還可以進一步降低總功率峰值。