油田機(jī)采系統(tǒng)1.14kV集中控制供配電節(jié)電技術(shù)

于傳聚 文 輝

（中國(guó)石化股份有限公司河南油田分公司，河南 南陽(yáng) 473132）

1 機(jī)采系統(tǒng)在用電上存在的問(wèn)題

在原油生產(chǎn)五大系統(tǒng)中，機(jī)采系統(tǒng)耗電約占原油生產(chǎn)總耗電量的 50%～60%（其次是注水系統(tǒng)約占 40%）。中石化油田企業(yè)采油系統(tǒng)每年用電量約40億 kW·h，油井 37000多口。機(jī)采系統(tǒng)效率在理論上可以達(dá)到55%，但從近幾年中石化的測(cè)試結(jié)果來(lái)看實(shí)際系統(tǒng)效率平均不足30%。機(jī)采系統(tǒng)效率低，稠油系統(tǒng)更低，只有 8%～10%，年損耗電量占機(jī)采系統(tǒng)用電量的 15%，節(jié)電空間很大。

1）電機(jī)的負(fù)載率低

抽油機(jī)在啟動(dòng)時(shí)需要較大的沖擊力矩，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)力矩較小，而在一個(gè)沖次的工作周期中，抽油機(jī)載荷變化大，電動(dòng)機(jī)一半時(shí)間處于重載狀態(tài)，一半時(shí)間處于輕載狀態(tài)。如果抽油機(jī)的平衡狀態(tài)調(diào)整不好，電機(jī)還會(huì)時(shí)常出現(xiàn)負(fù)功現(xiàn)象。造成電機(jī)裝機(jī)容量大、負(fù)載率低，一般只有15%～30%左右，大馬拉小車現(xiàn)象十分嚴(yán)重。功率因數(shù)只有0.3左右，能耗高。

2）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高

油井生產(chǎn)參數(shù)的變化，含水上升、動(dòng)液面變化等需要調(diào)整抽油機(jī)的沖程和沖次，靠調(diào)整皮帶輪已經(jīng)不能解決問(wèn)題，機(jī)械調(diào)速增加能耗，電子變頻調(diào)速技術(shù)復(fù)雜，需要采用多極低速電機(jī)，同時(shí)又可以降低電機(jī)容量。

3）油井變壓器負(fù)載率低

由于歷史原因，一口油井配置一臺(tái)變壓器的供電情況依然嚴(yán)重，占總數(shù)的90%以上，變壓器配置總?cè)萘看?，功率因?shù)低，而且還有相當(dāng)一部分國(guó)家明令淘汰的變壓器在運(yùn)行，變壓器能耗高。

4）配電系統(tǒng)功率因數(shù)低

由于抽油機(jī)負(fù)載的變化達(dá)大，甚至?xí)r常出現(xiàn)負(fù)功現(xiàn)象，使得電機(jī)的就地?zé)o功補(bǔ)償效果不理想，無(wú)功損耗大。據(jù)測(cè)試，油井電機(jī)的功率因數(shù)不足0.4，配電線路不足0.6，而感性設(shè)備在欠負(fù)荷狀態(tài)下的無(wú)功損耗將大大增加。造成線路損耗高達(dá)20%以上。

5）配電電壓低

油田高壓線路配電電壓多以6kV為主，少數(shù)地區(qū)使用 35kV配電線路。而對(duì)油井電機(jī)的供電電壓絕大部分是380V，個(gè)別油田部分使用了1.14kV配電。 在同樣輸送功率的情況下，380V供電系統(tǒng)的工作電流是1.14kV系統(tǒng)的3倍，線路損耗是1.14kV系統(tǒng)的9倍。

根據(jù)多年的研究和實(shí)踐，解決上述問(wèn)題的有效辦法是對(duì)油井供配電線路和設(shè)施進(jìn)行升壓和集中控制供電技術(shù)改造，將低壓線路有 380V升壓為1.14kV，建設(shè)集中供電裝置，減少配電變壓器數(shù)量和容量，采用1.14kV高效異步電機(jī)和大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的永磁同步電機(jī)，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2 集中控制供電技術(shù)

油井的不同時(shí)期開(kāi)發(fā)和不規(guī)則的開(kāi)發(fā)，形成了線路的點(diǎn)多線長(zhǎng)放射性樹(shù)枝狀發(fā)展。一口油井一臺(tái)變壓器的單井單變供電方式，對(duì)于不同時(shí)間建設(shè)或彼此距離較遠(yuǎn)的分散油井來(lái)說(shuō)，具有施工方便和運(yùn)行故障影響范圍小的優(yōu)點(diǎn)，但卻形成了變壓器負(fù)載率低、系統(tǒng)功率因數(shù)低、線損大，安全性差、維護(hù)工作量大、故障率高、可靠性低等缺點(diǎn)，而且380V配電系統(tǒng)易受私拉亂接竊電影響。

2.1 1.14kV集中供配電技術(shù)含義

將380V電壓升壓為1.14kV，建設(shè)集中供電配電室，用一臺(tái)大容量節(jié)能型變壓器取代多臺(tái)小容量高耗能變壓器，同時(shí)對(duì)10-20口油井供電，電動(dòng)機(jī)選用高效節(jié)能的永磁同步電動(dòng)機(jī)取代異步電動(dòng)機(jī)，完善保護(hù)計(jì)量、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)節(jié)電降耗、提高供電可靠性的目的。

2.2 集中控制供電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1）節(jié)能

減少了變壓器運(yùn)行臺(tái)數(shù)和容量，負(fù)載率提高到75%以上，降低了損耗。

低壓線路升壓為 1.14kV，損耗減小，是 380V的1/9，也可以大幅度擴(kuò)大供電半徑，為集中供電提供了條件。

電動(dòng)機(jī)改為高效電機(jī)和永磁電機(jī)，減小了電機(jī)的匹配容量，提高了負(fù)載率。

選用永磁同步電機(jī)，減少了無(wú)功消耗；采用無(wú)功自動(dòng)集中補(bǔ)償裝置降低了系統(tǒng)無(wú)功功率損耗，可使系統(tǒng)功率因數(shù)達(dá)到0.90以上，降低了電網(wǎng)損耗。

2）管理

完善了過(guò)流、速斷、電壓、斷相、過(guò)熱等保護(hù)功能，功能增強(qiáng)

配電室靠近計(jì)量站建設(shè)，變壓器室內(nèi)或圍墻內(nèi)安裝，低壓電纜埋地敷設(shè)，安全生產(chǎn)環(huán)境得到了改善。同時(shí)有效防止了私拉亂接。

變壓器及其配套設(shè)備減少，高壓線路分支減少，線路的故障率降低，供電可靠性得到了提高。同時(shí)維護(hù)工作量和費(fèi)用相應(yīng)減少。

實(shí)現(xiàn)了對(duì)單井用電計(jì)量考核和遠(yuǎn)方監(jiān)控、集抄，利于生產(chǎn)管理和節(jié)能統(tǒng)計(jì)，提高了管理水平。

2.3 能耗分析

由于群集油井負(fù)荷的峰、谷互相交錯(cuò)，很少出現(xiàn)所有油井負(fù)荷同時(shí)達(dá)到峰值或谷值的情況，因此利用這一特點(diǎn)可以在提高電壓等級(jí)的基礎(chǔ)上，選擇1臺(tái)大容量的變壓器同時(shí)向 10～20口油井供電，以減小變壓器容量裕度，提高變壓器的負(fù)載率，降低損耗。

兩種供電方案下年損耗電量計(jì)算和比較

假定油井年工作時(shí)間T=8000h，對(duì)10口油井采用兩種不同的供電方式，對(duì)變壓器、低壓線路、電動(dòng)機(jī)的有功電量損耗值進(jìn)行計(jì)算，可得出油井集中控制供電方案較原有單變單井供電模式下的年節(jié)電量，結(jié)果如表1所示。

表1

3 集中控制供電關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 現(xiàn)狀

以防竊電為主的油井 1.14kV拖動(dòng)裝置開(kāi)發(fā)于1992年，主要裝置由 1.14kV電機(jī)和拖動(dòng)控制箱合二為一整體，適用于單井安裝。先后運(yùn)用于河南、中原、遼河、長(zhǎng)慶、勝利等油田。十多年來(lái)，由于沒(méi)能確定一套合適的1.14kV系統(tǒng)絕緣配合參數(shù)，缺少系統(tǒng)設(shè)計(jì)、裝置制造、功能設(shè)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，雖經(jīng)多次改進(jìn)，仍然存在著絕緣強(qiáng)度低、元器件性能差、功能簡(jiǎn)單等技術(shù)缺陷，有的使用達(dá)不到電壓要求的替代元件，經(jīng)常發(fā)生元器件擊穿、燒毀等故障，安全可靠性差，節(jié)能效果不理想。

3.2 研究技術(shù)路線、目標(biāo)

采用集中控制供電技術(shù)對(duì)油井 1.14kV供配電系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)油井供電的集中化管理，運(yùn)用1.14kV供電及無(wú)功的快速補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)油井配電線路損耗下降40%、配電室功率因數(shù)達(dá)到0.85以上、油井供配電系統(tǒng)綜合節(jié)電率15%、供電可靠率提高70%的技術(shù)目標(biāo)，從而提高機(jī)采系統(tǒng)效率。

3.3 研究?jī)?nèi)容

1）集中控制供電技術(shù)的開(kāi)發(fā)首先要確定油井配電電壓的等級(jí)和絕緣配合技術(shù)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上制定《油井集中控制供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》、《油井集中控制配電裝置技術(shù)條件》等中石化企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范通過(guò)對(duì)于高壓線路的接入、變壓器容量的確定、配電室的建設(shè)、控制裝置的選配、供電范圍的確定、電纜的選定、電纜的敷設(shè)等方面制定技術(shù)規(guī)范，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、規(guī)范化建設(shè)。裝置制造的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)對(duì)集中控制裝置的電氣參數(shù)、裝置的功能、電器性能、主要元器件開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等方面為產(chǎn)品制造提出技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，使產(chǎn)品達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

2）根據(jù)裝置制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中確定的主要電器元件的額定絕緣電壓和絕緣配合間隙，研究開(kāi)發(fā)出了1.14kV真空接觸器、空氣開(kāi)關(guān)等主要元器件，研制了固定式和抽出式兩種油井集中控制供電裝置的定型配置，提高了元件和裝置的安全可靠性，完善了裝置的功能，達(dá)到模塊化組合。

3）研究開(kāi)發(fā)1.14kV油田專用擠包絕緣電力電纜和電纜護(hù)層保護(hù)器，提高了絕緣電壓，具有較強(qiáng)的絕緣強(qiáng)度和抗干擾能力，雙重防水絕緣結(jié)構(gòu)具有良好的阻水性，電纜深埋敷設(shè)具有較高的安全性和可靠性。電纜護(hù)層保護(hù)器則限制電纜金屬護(hù)層上的感應(yīng)過(guò)電壓，確保護(hù)層絕緣不被過(guò)電壓擊穿。

4）智能型多功能監(jiān)控器的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)綜合保護(hù)、電參數(shù)的測(cè)量及電能計(jì)量的多功能組合，并留有RS485數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳接口可組成后臺(tái)管理。

5）根據(jù)油井集中控制總運(yùn)行負(fù)荷為瞬間波動(dòng)的特點(diǎn)，研發(fā)了以無(wú)功功率為控制物理量、以用戶設(shè)定的功率因數(shù)為投切參考限量的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，使無(wú)功補(bǔ)償效果更能適合油井動(dòng)態(tài)變化。

3.4 1.14kV集中控制供電系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

確定了 1.14kV供電系統(tǒng)的絕緣配合電氣參數(shù)值和系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)、制造的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。采用1.14kV電壓等級(jí)中性點(diǎn)不接地方式具有很好的防竊電效果。油井集中控制供電具有良好的節(jié)電效果。油井的反電勢(shì)可以在集控裝置的母線上進(jìn)行交換，提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

4 應(yīng)用效果分析及預(yù)測(cè)

4.1 優(yōu)化油井配電線路

河南油田古城油礦 35kV油井南干線的高壓部分、低壓部分及油井電動(dòng)機(jī)控制部分有80%線路建造于1988年，一對(duì)一供電的變壓器共有52臺(tái)，其中39臺(tái)為S7系列高耗能型，控制油井67口。線路分支多，變壓器在線數(shù)量多，負(fù)載率僅為22%左右，變損量大；油井電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)僅為 0.3左右，供配電線路損耗大；在用 52組閥式避雷器安全性能差，易擊穿爆炸，造成線路跳閘次數(shù)多；單井無(wú)計(jì)量裝置。

在南干線的67口油井中有50口油井可集中控制，優(yōu)化線路后，新建集中控制配電室5座，拆除變壓器35臺(tái)，其中淘汰了30臺(tái)S7型變壓器。優(yōu)化改造后供配電線路損耗下降了59%，供電可靠性提高了87%。

4.2 節(jié)能技術(shù)改造

2007年河南油田選擇在采油一廠江河及下二門(mén)區(qū)域的73口油井上進(jìn)行節(jié)能改造試點(diǎn)。共建設(shè)集中控制室6座，安裝S11變壓器 7臺(tái)（其中1臺(tái)備用），總?cè)萘?230kVA，對(duì)73口油井實(shí)現(xiàn)了集中控制，變壓器減少65臺(tái)，容量減少2930 kVA；部分電機(jī)選用了1.14kV永磁同步電機(jī)；同時(shí)對(duì)地處低洼地帶的15臺(tái)電機(jī)進(jìn)行防洪升高處理；低壓線路采用1.14kV電纜深埋，供電半徑平均為0.256km。

經(jīng)測(cè)試油井變壓器損耗率下降3.47個(gè)百分點(diǎn)，單井功率因數(shù)由原來(lái)的0.3～0.4提高到0.9以上，綜合節(jié)電率達(dá)到10%以上（不含高壓線路）。同時(shí)高壓線路和變電設(shè)備的減少，還降低了線路故障率，提高了供電可靠性和油井生產(chǎn)時(shí)率；減少了線路檢修和維護(hù)費(fèi)用，綜合效益明顯。

4.3 消除配電系統(tǒng)隱患

2009年中原油田采油三廠完成8座計(jì)量站的電氣隱患治理改造，共計(jì)拆除淘汰型變壓器67臺(tái)；新安裝S11型節(jié)能變壓器12臺(tái)；安裝撬裝集控配電室12座。改造后消除了電氣隱患，提高了供電可靠性，供配電系統(tǒng)綜合節(jié)電率16.38%，供配電系統(tǒng)損耗下降48.50%。

4.4 減少產(chǎn)能建設(shè)投資

2010年河南油田井樓油田七區(qū)老區(qū)新建加密油井15口，根據(jù)加密油井的井位產(chǎn)能方案需要新建計(jì)量站一座，由于計(jì)量站周邊加密井的離站距離均不超過(guò)400m，滿足集中控制供電條件的要求，因此該15口油井采用 1.14kV集中控制供電方案進(jìn)行設(shè)計(jì)建設(shè)。新建配電室1座，安裝S11 -400kVA 35/1.14kV變壓器1臺(tái)，安裝1.14V集控柜7面，敷設(shè)1.2/2kV 3×16電力電纜 2.25km，控制油井 15口。本次產(chǎn)能建設(shè)的15口油井應(yīng)用集中控制技術(shù)，減少了油井供電變壓器10余臺(tái)，減少建設(shè)費(fèi)用30余萬(wàn)元，節(jié)約投資30%～40%。相對(duì)老的供電方式比較，還可以年減少油井配電線路損耗6萬(wàn)kW·h，同時(shí)減少了高壓線路及變壓器的維護(hù)費(fèi)用每年約10萬(wàn)元。

5 結(jié)論

單變單井（異步電機(jī)）分散供電方式適用于不同時(shí)期開(kāi)發(fā)建設(shè)的油井和彼此距離較遠(yuǎn)的零散井生產(chǎn)。對(duì)于油井密集區(qū)域且現(xiàn)有供配電設(shè)施可靠性差而需要更新改造、新的產(chǎn)能區(qū)塊投產(chǎn)建設(shè)供電設(shè)施時(shí)，采用以提高配電電壓、減少變壓器臺(tái)數(shù)為主的集節(jié)能、供電、管理為一體的“集中控制供電”方式，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)電降耗、提高供電可靠性、提供機(jī)采系統(tǒng)效率的明顯效果。

[1]張耀強(qiáng),于傳聚.油田油井高效節(jié)能供電方案研究[J].電力需求側(cè)管理,2006(6).