武偉偉黃毅王斌斌（.河南恩耐基電力技術(shù)有限公司；.沈陽(yáng)華巖電力技術(shù)有限公司）

抽油機(jī)節(jié)能裝置研究及應(yīng)用

武偉偉1黃毅2王斌斌1
（1.河南恩耐基電力技術(shù)有限公司；2.沈陽(yáng)華巖電力技術(shù)有限公司）

游梁式抽油機(jī)是我國(guó)油田開(kāi)采主要設(shè)備之一，運(yùn)行過(guò)程中電能利用率低，自動(dòng)化運(yùn)行程度不高，且抽油機(jī)“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象嚴(yán)重，造成線(xiàn)路損耗高、線(xiàn)路壓降高，油田供電質(zhì)量低。抽油機(jī)六合一節(jié)能裝置能夠?qū)崿F(xiàn)抽油機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速控制、再生能量高效回饋電網(wǎng)、實(shí)時(shí)精確補(bǔ)償無(wú)功及遠(yuǎn)程控制、諧波治理、最優(yōu)控制等功能。在不影響產(chǎn)油量的情況下提高抽油機(jī)運(yùn)行效率、降低采油成本。在油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行及節(jié)能效果測(cè)試，能夠有效穩(wěn)定末端電壓，提升油田供電電能質(zhì)量，并且節(jié)能效果顯著。

抽油機(jī) 節(jié)能裝置 試驗(yàn) 供電質(zhì)量 節(jié)能

我國(guó)油田多采用游梁式抽油機(jī)有桿泵方式采油，因運(yùn)行工況和啟動(dòng)需求，配置電動(dòng)機(jī)時(shí)功率往往偏大，造成油田采油設(shè)備“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象非常嚴(yán)重。功率因數(shù)低，電能的浪費(fèi)也很?chē)?yán)重[1]。如何改進(jìn)油田抽油機(jī)運(yùn)行方式，提高油田采油電能利用效率，提高油田電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性及供電質(zhì)量和自動(dòng)化水平，顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 原理

抽油機(jī)專(zhuān)用六合一節(jié)能裝置利用先進(jìn)的電力電子技術(shù)和電力電子器件，通過(guò)多種試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速控制、再生能量高效回饋電網(wǎng)、實(shí)時(shí)精確補(bǔ)償無(wú)功及遠(yuǎn)程控制、諧波治理、最優(yōu)控制等功能。在不影響產(chǎn)油量的情況下提高抽油機(jī)運(yùn)行效率、降低采油成本，并且有效提高油田電網(wǎng)供電質(zhì)量。

六合一節(jié)能裝置中主回路原理如圖1所示，由電網(wǎng)側(cè)交直三相全控整流變換器和負(fù)載側(cè)直交三相電壓逆變器組成。

六合一節(jié)能裝置控制系統(tǒng)采用TI德州儀器DSP控制芯片TMS320 F28335，外置AD7656采樣芯片，采集電網(wǎng)及抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流信號(hào)、流過(guò)裝置的電流信號(hào)及裝置內(nèi)部直流母線(xiàn)電壓信號(hào)，通過(guò)優(yōu)異的瞬時(shí)無(wú)功理論及空間矢量算法實(shí)時(shí)計(jì)算出有功功率、無(wú)功功率、諧波電流等電力參數(shù)，控制IGBT開(kāi)關(guān)通斷，實(shí)現(xiàn)四象限變頻轉(zhuǎn)速控制、再生能量高效回饋電網(wǎng)、精確補(bǔ)償無(wú)功等功能。電網(wǎng)側(cè)交直三相全控整流變換器采用PWM控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可調(diào)，一般設(shè)定為單位功率因數(shù)1運(yùn)行；實(shí)現(xiàn)了能量雙向流動(dòng)高效回饋電網(wǎng)，可有效避免抽油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中處于再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的能量過(guò)高，導(dǎo)致泵升電壓損壞裝置內(nèi)開(kāi)關(guān)器件和直流電容等現(xiàn)象，提高了裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖1 六合一節(jié)能裝置

電網(wǎng)側(cè)交直三相全控整流變換器主要為三相電壓型PWM整流器。采用直接電流控制策略實(shí)現(xiàn)PWM整流器直接對(duì)其各功率開(kāi)關(guān)器件IGBT進(jìn)行實(shí)時(shí)開(kāi)斷控制，開(kāi)關(guān)頻率可設(shè)定在5～15 kHz之間，從而使網(wǎng)側(cè)輸入電流正弦化；直接控制其輸出電流幅值和相位，通?？刂婆c系統(tǒng)電壓相位相同，即實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)1運(yùn)行方式。由于開(kāi)關(guān)頻率高，輸出電流平滑性好，裝置與電網(wǎng)交換電流只含開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的高次諧波分量，容易在裝置內(nèi)部濾除，不污染電網(wǎng)系統(tǒng)[2]，對(duì)電網(wǎng)和其他用電設(shè)備不產(chǎn)生諧波污染，從而提高了電網(wǎng)的供電質(zhì)量，減少對(duì)電網(wǎng)的公害。負(fù)載側(cè)直交三相電壓逆變器與電網(wǎng)側(cè)交直三相全控整流變換器基本相同，在結(jié)構(gòu)上完全對(duì)稱(chēng)，提高了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。

1.2 功能特點(diǎn)

本結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)如下：

1）抽油機(jī)通過(guò)六合一節(jié)能裝置接至電網(wǎng)，電網(wǎng)側(cè)交直三相全控整流變換器可以實(shí)時(shí)控制裝置的運(yùn)行功率因數(shù)，即相當(dāng)于1臺(tái)精致無(wú)功補(bǔ)償裝置STATCOM（又稱(chēng)SVG），起到無(wú)功補(bǔ)償器的作用。一般采取控制功率因數(shù)在單位功率因數(shù)1的運(yùn)行控制方式。

2）當(dāng)電動(dòng)機(jī)通過(guò)抽油機(jī)六合一節(jié)能裝置進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的再生能量在實(shí)時(shí)PWM脈沖控制下，能夠?qū)⒛芰扛吖β室驍?shù)回饋到交流電網(wǎng)中，完成能量的雙向流動(dòng)。

3）裝置電網(wǎng)側(cè)交直三相全控整流變換器的直流母線(xiàn)電壓可控并穩(wěn)定，其穩(wěn)定值不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，可以為負(fù)載側(cè)直交三相電壓逆變器提供穩(wěn)定的直流電壓源，從而輸出穩(wěn)定的逆變交流電壓，避免輸出電壓受電網(wǎng)電壓波動(dòng)影響引起電動(dòng)機(jī)運(yùn)行問(wèn)題。

4）抽油機(jī)六合一節(jié)能裝置中電網(wǎng)側(cè)交直三相全控整流變換器和負(fù)載側(cè)直交三相電壓逆變器采取完全獨(dú)立的控制方案，方便實(shí)現(xiàn)群井狀態(tài)下公用直流母線(xiàn)的控制。即1臺(tái)集中大功率電網(wǎng)側(cè)交直三相全控整流變換器提供穩(wěn)定的直流支撐環(huán)節(jié)，若干臺(tái)小的負(fù)載側(cè)直交三相電壓逆變器連接抽油機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)“一拖多”運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)裝置的性能優(yōu)化，降低成本。

1.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

抽油機(jī)六合一節(jié)能裝置在節(jié)能的基礎(chǔ)上與數(shù)字化油田完美銜接。該系統(tǒng)建立在抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制單元、通訊網(wǎng)絡(luò)、采油廠(chǎng)管理平臺(tái)上，結(jié)合油田管理系統(tǒng)，運(yùn)用無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)將采油廠(chǎng)管理平臺(tái)與抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)接和數(shù)據(jù)的傳遞，實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制與信息管理。六合一節(jié)能裝置監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。六合一節(jié)能裝置監(jiān)控系統(tǒng)基于無(wú)線(xiàn)通訊、GSM網(wǎng)絡(luò)和3G網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建全覆蓋的數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、音視頻監(jiān)控同步通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇合適的通訊模式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖2 六合一節(jié)能裝置監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

2 試驗(yàn)效果分析

為了驗(yàn)證裝置的實(shí)際效果，制作了1臺(tái)樣機(jī)，在河南某油田進(jìn)行了裝機(jī)測(cè)試和實(shí)際運(yùn)行，并對(duì)裝置運(yùn)行情況及技能效果進(jìn)行了測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行裝置如圖3所示，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。其中，抽油機(jī)未運(yùn)行前電網(wǎng)線(xiàn)電壓平均值為349.8 V。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行裝置

為了測(cè)定節(jié)能效果，根據(jù)《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》（GB/T12497—2006）規(guī)定，無(wú)功下降的效益用無(wú)功當(dāng)量表示。測(cè)試結(jié)果取無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量為0.03 kW/kvar?？捎?jì)算出在相同產(chǎn)液量的前提下，節(jié)能效果達(dá)34.9%，節(jié)能效果理想，有效提升了油田采油設(shè)備能源利用率。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，抽油機(jī)直接工頻運(yùn)行時(shí)，功率因數(shù)低，測(cè)試時(shí)間段內(nèi)平均功率因數(shù)為0.462，抽油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中所需無(wú)功功率大，造成油田輸電線(xiàn)路和油田配電變壓器損耗大，從而引起輸配電設(shè)備上的電壓降，導(dǎo)致末端電壓低，在340 V左右，嚴(yán)重影響抽油機(jī)正常運(yùn)行及油田電網(wǎng)供電質(zhì)量。當(dāng)抽油機(jī)接六合一節(jié)能裝置上電運(yùn)行時(shí)，測(cè)試時(shí)間段內(nèi)平均功率因數(shù)達(dá)到0.98以上，實(shí)時(shí)功率因數(shù)高于0.97，有效降低了無(wú)功功率在線(xiàn)路上及變壓器上的損耗，末端電壓有效提高；在351 V左右，提升電壓10 V左右，降低了損耗，提高了油田供電質(zhì)量。通過(guò)六合一節(jié)能系統(tǒng)帶動(dòng)抽油機(jī)運(yùn)行，與電網(wǎng)交換的交流電流有效值也大大降低，降低率達(dá)67.5%。從工頻運(yùn)行時(shí)36 A左右下降為抽油機(jī)六合一系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)12 A左右，無(wú)功功率基本降低為0，效果明顯。

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.004.016

武偉偉，工程師，2012年畢業(yè)于華中科技大學(xué)，碩士，電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，研究方向?yàn)榇笮碗娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，E-mail：18838230718@163.com，地址：河南省鄭州市惠濟(jì)區(qū)文化路開(kāi)元路動(dòng)漫大廈C區(qū)1樓河南恩耐基電氣有限公司，450045。