鉆井用節(jié)能發(fā)電機穩(wěn)壓穩(wěn)頻裝置的研究和應用

劉 勇，張延軍，曹 兵

（中國石油西部鉆探吐哈鉆井公司，新疆鄯善 838200）

0 引言

節(jié)能發(fā)電機技術(shù)在吐哈鉆井公司各井隊相繼配套應用。經(jīng)過幾年的使用，現(xiàn)場反應節(jié)能發(fā)電機普遍存在的一些問題，影響到節(jié)能發(fā)電機的使用和鉆井安全。主要表現(xiàn)在發(fā)電電壓和頻率波動較大，遠遠超出了節(jié)能發(fā)電機和供電器件的承受范圍，極易導致跳閘和電器元件燒損。

因為節(jié)能發(fā)電機額定頻率和額定電壓與柴油機的轉(zhuǎn)速成正比。一般發(fā)電機的柴油機轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)恒定，電源電壓、頻率恒定。鉆井用柴油機通過聯(lián)動機在帶動節(jié)能發(fā)電機的同時還要帶絞車和泥漿泵運轉(zhuǎn)，所以節(jié)能發(fā)電機的轉(zhuǎn)速會因為泥漿泵的啟停波動，特別是在起下鉆工況或啟動泥漿泵等大型設備時，柴油機轉(zhuǎn)速波動范圍較大，因此節(jié)能發(fā)電機的運行環(huán)境相對惡劣。造成發(fā)電電壓在320～430 V、頻率在45～54 Hz 波動。節(jié)能發(fā)電機安裝如圖1 所示。

圖1 節(jié)能發(fā)電機安裝

1 現(xiàn)狀及節(jié)能發(fā)電機穩(wěn)壓、穩(wěn)頻裝置研究

節(jié)能發(fā)電機在使用過程中頻繁跳閘。在使用節(jié)能發(fā)電機時，因為柴油機通過聯(lián)動機還要帶絞車和泥漿泵運轉(zhuǎn)，所以節(jié)能發(fā)電機的轉(zhuǎn)速會因為泥漿泵的啟停波動。在起下鉆作業(yè)、雙泵作業(yè)、深井段作業(yè)，以及復雜井、探井作業(yè)時，節(jié)能發(fā)電機不能保證井場正常用電和井下安全，均處于停置狀態(tài)。以柯克亞和玉果區(qū)塊為例，50561 隊和50562 隊在二開2000 m 以后就停用節(jié)能發(fā)電機，采用兩臺440 kW 康明斯發(fā)電機并機運轉(zhuǎn)，僅僅兩臺康明斯發(fā)電機組每天的油耗就要3 t 左右。再加上12 V190 的燃油消耗，每天油耗要在5～5.6 t。每個臺月油耗在150 t 左右。由于50LDB 原廠設計配置的節(jié)能發(fā)電機在大多數(shù)工況都無法正常運行，基本處于停置狀態(tài)，50LDB 鉆機成了“油老虎”。

由于節(jié)能電發(fā)機存在著頻率和電壓不穩(wěn)這一致命問題，節(jié)能發(fā)電機實際運轉(zhuǎn)時效很低。為了保證節(jié)能發(fā)電機的正常使用、節(jié)能降耗、保護電氣設備的目的，研制、應用節(jié)能發(fā)電機穩(wěn)壓、穩(wěn)頻裝置。節(jié)能發(fā)電機穩(wěn)壓、穩(wěn)頻裝置存在以下難點：①使用國產(chǎn)電源逆變單元核心元件，其逆變技術(shù)，穩(wěn)定電壓、頻率的效果不理想；②使用普通的正弦濾波器、變壓器，其濾波效果比較差，輸出電壓和頻率波動比較大。

2 穩(wěn)壓、穩(wěn)頻電源設計方案及配置

電源逆變單元核心件采用進口元件，并采用當今最新逆變技術(shù)和最先進的工藝技術(shù)，所有PCB 電路板采用涂層固化處理；正弦濾波器、輸出變壓器采用整體真空浸漬絕緣漆和噴涂高溫防護漆處理，具有較高的絕緣級別和防護能力。輸入電壓及范圍：380 V±30%（265～490 V）；3Φ4W+G；輸入頻率及范圍：50 Hz±30%（30～80 Hz）；功率因數(shù)：≥0.8；輸出額定線電壓及頻率：380 V±0.5%；輸出頻率及范圍：50 Hz±0.01%。穩(wěn)壓、穩(wěn)頻裝置是一種成熟的電源裝置。可以保證在額定電壓3 相380 V允許波動范圍323～528 V，動態(tài)反應速度快，負載0～100%變化時，穩(wěn)態(tài)反應時間≤20 ms。使用該裝置可以使井場電源穩(wěn)定在400 V、50 Hz。內(nèi)部設計方案如圖2 所示。

圖2 內(nèi)部設計方案

該方案采用了先進的正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）IGBT 高頻逆變技術(shù)，內(nèi)部交—直—交結(jié)構(gòu)，徹底清除電網(wǎng)干擾。經(jīng)交—直—交變換后輸出波形純凈的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻高品質(zhì)電力，保證了裝置始終能夠向負載提供高質(zhì)量的交流電源，達到穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、抑制浪涌、尖峰、電噪聲等。電氣控制原理如圖3 所示，平面布置如圖4 所示。

圖3 電氣控制原理

圖4 平面布置

變頻裝置產(chǎn)生諧波電流，對系統(tǒng)可產(chǎn)生較大的影響，不僅會產(chǎn)生較大的發(fā)熱損耗，而且會加速電氣設備的絕緣老化，特別是對電纜、變壓器運行非常不利。此外，產(chǎn)生諧波嚴重時，也會對自動控制系統(tǒng)和保護裝置產(chǎn)生干擾，使其誤動作，影響電網(wǎng)的正常安全運行，通過應用無功補償裝置，可減少無功功率，提高功率因數(shù)，有效降低發(fā)電機能耗。切換方式如圖5 所示。

圖5 切換方式

發(fā)電機功率800 kW、電壓0.4 kV，配置有1 臺TZQF 消諧無功補償裝置，TZQF 消諧補償裝置安裝總?cè)萘繛?48 kVar，TZQF 裝置安裝有5 組濾波支路，分別是3 組5 次濾波支路和2組7 次濾波支路，投切方式為全自動運行。

3 實際應用情況

（1）實現(xiàn)電壓及頻率穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)。節(jié)能發(fā)電機穩(wěn)壓、穩(wěn)頻裝置是為調(diào)節(jié)節(jié)能發(fā)電機頻率，保護電器設備而設計制作。穩(wěn)壓、穩(wěn)頻裝置可以保證在額定電壓3 相380V 允許波動范圍323～528 V，動態(tài)反應速度快，負載0～100%變化時，穩(wěn)態(tài)反應時間≤20 ms。使用該裝置可以使井場電源穩(wěn)定在400 V、50 Hz。

（2）濾除諧波電流。TZQF 消諧補償裝置投運后，有效濾除了大量的諧波電流，使主要的5、7、11 次諧波電流由87.1 A、32.2 A，13.7 A 降低為8.6 A、3.4 A，0.7 A，注入系統(tǒng)的諧波電流已控制在國標要求范圍內(nèi)。

（3）改善諧波電壓畸變。TZQF 消諧補償裝置投運后，諧波電壓畸變得到了很大的改善，發(fā)電機正常運行時的低壓側(cè)電壓波形總畸變率由未投時的13.2%降低至1.5%以下（國標小于5%）。各次諧波電壓含有率在國標要求的允許范圍內(nèi)。可見，濾波裝置的投運效果非常顯著。改善前、后的電壓波形如圖6 所示。

圖6 改善前后的電壓波形

（4）有效提高發(fā)電機功率因數(shù)。TZQF 消諧補償裝置投運后，功率因數(shù)也得到了很好的補償，變壓器低壓側(cè)的功率因數(shù)從0.48 提高至0.95 以上，負荷電流減少56～120 A，運行經(jīng)濟效益十分可觀。

（5）優(yōu)化動力組合，降低柴油消耗。通過動力系統(tǒng)的升級改造，可根據(jù)實際工況更為合理地優(yōu)化機組配置，在負載較輕時啟用1 臺小功率柴油機，中等負載下啟用1 臺1300 kW 柴油機，負載較重時啟用1 臺大功率柴油機和1 臺小功率柴油機并機使用，讓動力機組在滿足鉆井負荷的同時剛好有富余功率來驅(qū)動節(jié)能發(fā)電機供電，做到最大限度控制和使用富余功率。通過優(yōu)化動力組合減少柴油機啟用臺數(shù)，降低了柴油消耗，實現(xiàn)節(jié)能發(fā)電機的最大限度節(jié)能。

2019 年8 月，吐哈鉆井公司在玉105 開始現(xiàn)場應用國內(nèi)第一臺節(jié)能發(fā)電機1000 kV·A 的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻裝置。經(jīng)現(xiàn)場測試：在不同工況下柴油機轉(zhuǎn)速基本在900～1300 r/min 范圍內(nèi)波動，穩(wěn)壓、穩(wěn)頻裝置24 h 連續(xù)工作輸出電壓400 V，輸出頻率50 Hz。杜絕了因為柴油機轉(zhuǎn)速波動而造成的供電系統(tǒng)跳閘，節(jié)能發(fā)電機全井、全工況正常運轉(zhuǎn)。兩臺柴油發(fā)電機組均處于停運狀態(tài)。從玉105 和溫10 井的應用效果證明：該裝置性能穩(wěn)定，節(jié)能效果良好。從跟蹤的油料消耗數(shù)據(jù)顯示：雖然柴油機的燃油消耗有所增加，但相對于運行兩臺柴油發(fā)電機組，大大降低了燃油消耗。在節(jié)能發(fā)電機上投用穩(wěn)壓、穩(wěn)頻裝置后，節(jié)能發(fā)電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，在各種工況下均可持續(xù)運轉(zhuǎn)，充分發(fā)揮了技術(shù)優(yōu)勢，單井油耗降低15%～20%，推廣和應用節(jié)能發(fā)電機項目一部鉆機每年可以創(chuàng)造經(jīng)濟效益228 多萬元，在一年內(nèi)可收回投資成本并創(chuàng)收60 萬元。