群控技術在C 油田的應用與認識

江黎黎（大慶油田有限責任公司第七采油廠）

從能量角度觀察，機械采油井地面系統是由供電系統、采油設備和井口裝置組成，其中供電系統主要由變壓器向機采井供電，帶動抽油機進而帶動抽油泵從井下抽汲原油至地面，整個系統屬于“一變一井”系統，即一臺變壓器向一口機械采油井提供能量的系統[1-3]。理論上講，“一變一井”系統具有較大的節能潛力。為進一步降低舉升能耗，C 油田在機械采油領域的一個平臺的叢式井上試驗了群控技術，該技術的實施為機械采油系統的能源節約開辟了新的技術途徑。

1 技術組成與原理

1.1 技術組成

群控系統應用于叢式機械采油井平臺，由一臺變壓器、一臺整流裝置、供電線纜、逆變裝置、配電箱、電動機、抽油機、井口及井下桿管泵系統組成，其中機械采油井為多個。變壓器下端為整流裝置，單井配電箱內部內置逆變裝置，每口井均有一套逆變裝置[4-5]。

1.2 工作原理

群控技術基本工作原理是，變壓器380 V 供電經過整流裝置，整流裝置將其變為直流電，一般為540 V，該直流電在單井控制柜處，由逆變器再次將其改變為交流電380 V，進而向電動機供電，帶動抽油機、抽油桿、抽油泵實現原油舉升[6]。

群控技術是在多抽油機并聯節能調速系統中，采用單獨的整流裝置為系統提供直流電壓，每個抽油機用逆變器直接接在直流母線上。當系統工作在電動狀態時，逆變器從直流母線上獲取電能；當系統工作在發電狀態時，能量通過直流母線互饋，以達到節能的目的。整流濾波單元把交流電壓轉換為穩定的直流電壓。整流濾波單元的整流部分采用三相不可控整流，濾波部分采用電感電容濾波，以減小電網的電流諧波[7]。逆變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，以滿足電動機節能調速的目的，群控技術原理見圖1。

圖1 群控技術原理Fig.1 Principle of group control technology

2 現場應用情況與效果分析

選取4 口井作為一個平臺，對變壓器容量、單井電參數控制開展了先導試驗，完成了技術研究與驗證。而后，現場選取一個機械采油井平臺共16口井開展了試驗，并進行各項測試和效果分析。

2.1 變壓器輸出功率耦合

變壓器在重載和空載運行時，其損失相對較大，效率不高，損失率ΔP與負載率β的函數關系為ΔP=f(β)。一般情況下，變壓器在最佳負載率范圍（負載系數0.65～0.75）運行時，損失率處于最低水平，經濟性和穩定性都能得到更好的保障[8]。該技術通過對負載總功率的連續監測（直流輸電電流不變，故采集電壓信號等效于功率信號），繪制出負載總視在功率的變化曲線。雖然每口油井在每一個運行點負載率都在變化，但是在完整的一個周期內變化不大，所以其變化具有一定的規律性。

控制器通過電源電壓采樣信號判斷電源是否出現異常問題的信息，當沒有出現質量問題時，輸出開關信號經驅動控制切換開關導通，電源給負載正常供電。當電源出現質量問題或負載發生較大變化時，控制切換開關使其盡快切斷，同時控制串聯的逆變器輸出補償電壓。控制器控制逆變器輸出上的補償大小取決于磁通平衡或電源的伏秒特性的原理。

通過對變壓器輸出功率的有效控制，便可以大幅提高變壓器的性能。由于直流輸電只輸送有功功率，沒有無功損耗，所以可實現一變帶多井：選擇變壓器時，只需要考慮所有油井負載穩定運行時的最大有功功率；如果還有其他感性負載，只需適當增加變壓器容量即可。

通過對變壓器輸出有功功率和負載有功功率的耦合控制，可減少變壓器常規設計容量60%，降低變壓器成本。

2.2 單井電參數控制

抽油機在上下沖程的負載變化較大，輸出功率的峰值和谷值總是會在某一個特定時間出現。當所有油井都從母線取電時，會造成母線電壓跌落幅度過大出現故障；反之，會造成電壓驟升引起保護。

單井位能控制換流技術通過對母線電壓的連續監測和取樣分析，通過內置的芯片繪制出單井功率變化曲線，當發現母線電壓有降低的趨勢，便自動降低頻率；反之，則適當增大頻率，加快從母線汲取速度。內置在逆變單元的雙向續流模塊，通過對三極管的控制，利用二極管單向導通的特性，可以在抽油機井發生“倒發電”時，將不連續的多頻段的能量，饋入吸收進公共的直流母線內，被臨近做功的抽油機井汲取利用，從而實現了“倒發電”饋能再利用功能[9]。該功能不但解決了“倒發電”引發的電壓驟升問題，而且節約了電能，消除了多次諧波對低壓側電氣設備帶來的安全隱患。單井位能控制換流技術原理見圖2。

圖2 單井位能控制換流技術原理Fig.2 Principle of single well control commutation technology

2.3 規模試驗

選取C 油田一個平臺上的叢式井（共16 口）開展了規模試驗。該平臺群控技術應用情況為：2 臺變壓器、2 套整流裝置、16 口機械采油井；將該平臺的16 口井分成兩組，每組8 口井，每組利用一臺變壓器及一套整流裝置，每口機械采油井配備一臺逆變器，逆變器內置于該井配電箱內。試驗前后開展了各項測試及效果分析。

對改造前的變頻器輸入及輸出端電參數及變頻器效率進行了測試，抽油機采油平臺改造前后效率對比見表1。可以看出，平臺井采取“一變一井”方式供電時，變頻器效率普遍不高，平均值為88.93%。改造后，對直流變交流的逆變器效率進行了測試，直流電經過逆變器變成交流電的效率保持較高水平，平均可達97.67%。

表1 抽油機采油平臺改造前后效率對比Tab.1 Efficiency comparison before and after the transformation of the oil extraction platform of the pumping unit

對改造前后的變壓器效率進行測試與計算，測算結果顯示，變壓器的數量雖由原來的16 臺變為2臺，但其經過整流后其效率提高了。總體效率由改造前的97.86%提升至98.71%，提高了0.85%。抽油機采油平臺改造前后變壓器效率對比見表2。

表2 抽油機采油平臺改造前后變壓器效率對比Tab.2 Efficiency comparison of transformer before and after the transformation of the oil extraction platform of the pumping unit

對改造前使用變頻器拖動的抽油機采油系統以及改造后的抽油機采油系統進行測試，并根據改造前后的測試數據，根據標準SY/T 6422—2016《石油企業用節能產品節能效果測定》，對整個平臺進行單耗和節能率計算。 計算結果顯示， 改造后，產液單耗由18.24 kWh/t 下降到15.34 kWh/t，總能耗下降了15.91%。

綜合分析群控技術的節能效果主要有三個方面：一是變壓器數量大幅減少，總電量的損耗相應減少。變壓器數量由16 臺減少為2 臺，裝機功率大幅降低， 無功功率由 35.172 kvar 減少到16.182 kvar，無功節電率達到53.99%；二是該技術采用直流電輸送，直流電較交流電傳輸效率高，總損耗降低。理論研究表明，直流電輸送因電流平穩，相同條件下，較交流電損耗少；三是實現了“倒發電”的電能儲存及二次利用。無法對“倒發電”過程中的電能變化進行測試驗證，僅能從平臺井的總體能耗進行判斷[10]。

3 結論

1）群控技術用在抽油機井平臺上運行中的平均逆變（直流變交流）效率較高，一臺變壓器控制8 口井其平均逆變效率為97.67%。對于新區塊新井投產，平臺叢式井可采用群控技術，降低投資，提高投入產出比。

2）群控技術適用于一個采油平臺上多口機械采油井。該試驗中，一臺變壓器可控制8 口井，且變壓器與最遠端井的距離在1 000 m 范圍內。一臺變壓器可帶井數量的上限以及最遠端井距離，需進一步開展試驗進行驗證。

3）共直流母線群控技術具有常規多功能變頻的調控方式優點，群內能量互饋共享和錯峰運行，能減少變壓器容量和線路損耗，可實現提效降耗。