油田抽油机电机集中直流供电节能控制装置的推广应用
新疆油田 洪攀 初春生 张军
摘要:
多年来，我国油田行业生产的各种抽油机电机节能产品已达十余种，但节能效果都不十分的理想。本文提出了油井抽油机电机采用专用直流供电回馈节能控制技术及功能特点的理念，对其关键技术和应用加以具体说明，展现了该技术良好的应用前景。力图从根本上解决抽油机电机的反发电问题和泵效低的问题。
关键词: 油井抽油机直流供电 反电势回馈控制交流电量 逆变器调速
一、 目前油井抽油机电动机运行状态分析
目前，在我国油田井区使用的各种抽油机电动机,一般根据实用节能产品已达十余种，但节能效果都不理想。目前，有的井区采用三速电动机，实质上只是靠操作人员现场经验，判断该井号产油的情况，将电动机转速调整到某一固定值，可依然存在冲程无法任意调节，启动电流大的老问题。有的井区采用了变频器技术,但由于没有从根本上处理好抽油机的反发电问题,使所用的变频器在50Hz不降频运行时,测试的结果一律为不节能(反而多耗能),最终不能得到广泛应用。此次技术改造的目的从节能角度来讲，可充分的将反发的电量反馈给电网，在50Hz不降频运行时就保证有7﹪—10﹪的有功节电率，这个指标在国内外于领先地位；当运行频率下降到35Hz时，节电率可达15%—20%以上；功率因数由原来的0.35提高到0.86以上。
二、 关键节能技术应用
1、节能技术——集中直流母线供电
在某台变压器输出端将交流电集中转换为直流电，利用现有输电线路分别供电到各井口，在井口采用变频技术以交流电方式给井口电机供电。这种方式解决了低压交流电网线损及低压电网污染，可以节约有功5%并提高井口电机寿命。
2、节能技术——变频节能
实践证明采用变频技术在单井上是能够节电的，关键是参数设置及调整。实践证明采用变频技术在单井上综合节能效果是可以达到10%至20%，具体视油井应用现场环境而定。但仅此一项还不足以达到投资匹配，还需要继续挖掘。
普通的变频器，一般采用增加一只大功率的线绕电阻吸收的方法将反发电的电量白白消耗掉，没有将反发电能再回馈到电网上。这一点也是长期难以解决的技术难题，但这也是节电的一个重要环节。
3、节能技术——反发电回馈电网
由于采用集中直流母线供电方式给各井口装置供电，应用直流母线阀值检测单元及回馈单元，随时控制抽油机反发电量回馈到电网。当抽油机反发电量回馈量占标准值（430Vdc）10%时，节电率就为电动机实际功率的10%；反发电越明显的井，节电效果越明显。
根据理论计算反发电回馈可以节电16%至25%，实际节电不低于10%至20%，视现场具体环境而定。
4、节能技术——综合节能与投资回报
本项目采用成熟技术集成，应用先进器件，同时实现三种节能方式，综合节能效率高；同时投资成本低，平均单井成本不超过16000元，特别是对于以小功率电机为主的采油厂，三年收回全部投资，综合节电效率达到20%以上。此方案用于大功率电机上，其节能效果更加显著而成本则不必同比增长。应用前景规模庞大，为油田单井采油节电带来突破性变革。
三、 抽油机集中直流供电节能装置的发展趋势探讨分析
抽油机电机集中直流总母线供电及位能反馈闭环控制的应用是一项飞跃的技术革新，其发展趋势可以探讨如下：
1、直接起动不带保护的抽油机电机控制方案将快速退出历史舞台 。由于这种控制方案的前述弊端，已不在大、中油田的采油企业中使用，地方油田将很快淘汰这种抽油机控制设备。
2、 为保护抽油机电机不被烧坏，所以具有软起动、缺相、过载保护及功率因数补偿的带有智能化控制的抽油机电控设备将获得大面积推广和使用，应特别强调的是这种直流供电控制设备弥补了以往电控设备的诸多不足之处。
3、 保持电机转速稳定，按抽油机负载调整输入侧三相交流电压，同时有功率因数补偿环节，可极大的减小抽油机工作中拖动电机的损耗，实现很好的节能效果 。
4． 实现多台抽油机的集中直流供电和位能综合平恒控制是未来几年内抽油机节能装置的一个研究热点，它将代表着抽油机电机节能装置的发展方向。
5． 抽油机直流供电装置从结构形式看，在一个变压器二次侧安装一套整流装置，利用原交流供电线路放射方式向各单井直流供电。在单井上分别安装逆变装置给单井变频供电，实现自动调速。这种装置比以往装置体积更加缩小、更便于维修和散热，其控制和性能将更加智能化，更加适合油田使用的方向发展。
四、 实施原则
1. 采用创新、先进和成熟的技术及进口组件；
2. 满足实时检测直流母线电压阀值调节变压器一次侧供电电压，达到理想的节能效果；
3. 系统具有高可靠性，可用率达100％；
4. 维护方便。
五、适应环境：
本装置遵照安全，可靠，经济合理和现场适用的原则进行设计，考虑到油田野外环境恶劣，冬夏温差大，风沙、尘暴多的特点，设计了双层密封隔热（保温）控制柜，且具有防盗功能，外壳防护等级为IP44。柜内设计有强迫风冷系统，可以将柜内热量排出，而外面的热量却无法进入，适合在沙漠中夏季高温环境下使用。工作电源：抽油机380V±20%；适应温度：-30 — +45℃
六 、该系统方案设计思路：
本项目设计目的很明确，就是要解决三大难题：一个是根据现场油井工况实现任意调整抽油机上下冲次；另一个就是要解决抽油机电动机反电势能量回馈和有效利用的问题，同时解决泵效低的问题。因此，本节能装置在结构形式方面采用了如下几个部分组成。
1. 采用一个变压器下多台抽油机集中直流供电模式（集中安装一套整流装置）。
2. 市电输入侧安装一套分流滤波器，就整流后的平波而言，以往采用的是电解电容，存在“钝化”现象，三年左右，容量就会降到80%以下而达不到相应的平波效果，本项目采用德国特制薄膜生产的电力电容，不但不存在“钝化现象，而且具有自修复功能，寿命可达10年以上，（晶闸管整流器与电网连接处）。
3. 在每台抽油机旁安装一套逆变装置，其将直流电（537Vdc）逆变成电动机所需连续可调的三相交流电（0-380Vac/50Hz）。
4. 保留原有电动机控制箱和补偿电容，作为备用。
5. 一个变压器下安装一套能量回馈装置（逆变单元组成），用于将多台抽油机电动机反电势集中检测控制输入电网功率，实现其节能目的。
6. 保留原供电线路，两根电缆为直流供电，另一根电缆保持交流供电，其目的是为井口其他设备（220Vac/50Hz）用电。其他供电开关均保留再用。
七 、该系统主要电路组成：
1. 市电输入侧三相全桥整流装置（可控硅器件）电路。
2. 电网谐波吸收装置电路。
3. 井口电动机驱动逆变装置（IGBT模块组成）电路。
4. 无功补偿电路。
5. 能量回馈单元电路。
八 、涉及的关键技术及技术创新点
1. 输入侧三相晶闸管整流器采用6脉动整流方式（直流供电新概念）。
2. 装设分流滤波器技术。
3. 三相电动机逆变驱动技术。
4. 势能吸收或再利用技术。
5. 智能化检测技术（势能值检测及晶闸管导通角控制）。
6. 电动机驱动逆变单元。
7. 输入侧谐波吸收单元。
8. 能量回馈装置及势能检测单元。
9. 二次逆变触发器单元。
注：本次项目未考虑检测数据上传系统。
九 、产品实现功能及特点
1. 可随心所欲设定同冲次中的上下冲程速度，使油井能够工作在最佳工作状态（由开发的逆变驱动单元实现）。
2. 节能、效率高。三相电动机供电线路采用直流供电，就避免了功率因数低的问题；为了回馈再生能量，提高效率，本装置采用了晶闸管（SCR）有源逆变器。当回馈能量较小时，能量回馈装置不工作，让能量储存在滤波电容器中，当直流母线电压达到某一设定值时（如Ud>5370V），能量回馈装置才开始工作，将多余的能量回馈电网。
3. 再生能量可用于中频加热器。对于地处北方寒冷地区的抽油机，为了在冬季增加原油的流动性和防止结蜡，而对井口回油管进行电加热，如采用中频加热装置。这时也可将能量回馈装置与中频电加热装置共用整流电路及直流母线，这样可将电动机回馈到直流母线上的再生能量用于中频加热器，同时又防止了直流母线电压的泵升。
4. 抽油机三相电动机驱动单元前端采用集中直流输电环节，其考虑到如下特点：
4.1 线路造价低。对于交流，架空线用三根导线，直流用二根导线即可，建设费用较低。对于电缆，绝缘介质的直流强度远高于交流强度，直流电缆投资要少。
4.2 年电能损耗小。导线电阻损耗小，没有感抗和容抗的无功损耗；没有集肤效应，导线截面利用充分。直流架空线路的“空间电荷效应”使电晕损耗和无线电干扰都比交流线路小。
4.3 不存在系统稳定问题。用直流输电系统连接两个交流系统，由于直流线路没有电抗，输电容量和距离不受同步运行稳定性的限制。
4.4 没有电容电流。直流线路稳态时无电容电流，沿线电压平稳、无空载和轻载时交流长线受端及中部发生电压异常升高的现象，也不需要并联电抗补偿。
4.5 相同距离的输电线路直流输电容量约为交流输电容量的2倍。
十 、目前市场前景展望
《抽油机直流供电节能控制系统》，是一次抽油机动态节能突破性的创新技术改造，能量回馈电网更是一种有效节能的关键技术。一旦成效显著，就有宽广的市场生命力，它代表着抽油机直流供电将来的发展方向。
十一 、系统结构研发
1. 输入侧三相整流6脉动直流供电装置带滤波器装置。
2. 电动机驱动逆变单元。
3. 输入侧谐波吸收单元。
4. 能量回馈装置及势能检测单元。
5. 二次逆变触发器单元。
注：本次项目未考虑检测数据上传系统。
十二 、节能效果预算
1. 井口电动机变频驱动单元具有软启动功能，启动电流很小。这样就减少了电机损坏率，减少设备维护量，延长使用寿命；另外，由于变频驱动单元在保持原产油量不变的状态下，可调整电动机转速保持低功率下正常运行。节电效率可达到5%-10%左右。
2. 直流输电节能计算。可占交流输电电压损失率4%-5%。
3. 综合节电率可达15%-20%以上。
附系统结构电理图：
1、 系统结构主电理图；
2、 能量回馈装置及势能检测单元；
3、 二次逆变触发器单元。
单 位：新疆天 |
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