抽油機節(jié)能型動態(tài)無功補償控制系統(tǒng)

孫寧（大慶油田工程有限公司）

抽油機節(jié)能型動態(tài)無功補償控制系統(tǒng)

孫寧（大慶油田工程有限公司）

拖動抽油機運行的三相異步電動機是油田開采耗能的主力，降低電動機的電能損耗，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，是降低油田開采成本的一項重要措施。抽油機動態(tài)無功補償控制系統(tǒng)利用大功率晶閘管反并聯(lián)組成功率單元，實現(xiàn)對多級電容器組的快速投切，通過電容器組提供的容性無功來抵消系統(tǒng)中的感性無功，從而達到提高系統(tǒng)功率因數(shù)的目的。系統(tǒng)應(yīng)用后油井平均綜合節(jié)能1 1.4 2%，功率因數(shù)平均提高了0.1 6，節(jié)能效果較好。

抽油機 節(jié)能 動態(tài)無功補償 功率因數(shù)

在油田的機械采油設(shè)備中，抽油機約占機采設(shè)備的8 0%，其耗電量約占油田開采成本的1/3，是采油成本居高不下的主要原因。因此，如何降低抽油機運行中電動機的電能損耗，提高抽油機系統(tǒng)的效率，實現(xiàn)抽油機的節(jié)能控制，對于油田節(jié)約電能及降低開采成本有著重要意義。

1 抽油機節(jié)能的基本原理

通常，油田用于拖動抽油機的動力設(shè)備都是三相異步電動機。三相異步電動機的機械特性是指其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，它反映了電動機傳動的性能與特點。根據(jù)轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩增加而下降程度的不同，電動機的機械特性分為硬特性和軟特性[1]：

1）硬特性：當電動機的轉(zhuǎn)矩在可允許的范圍內(nèi)變化時，電動機的轉(zhuǎn)速變化很小，機械特性的斜率變化很小。同步電動機的機械特性是一條直線，其轉(zhuǎn)速不隨著轉(zhuǎn)矩的變化而變化，是典型的硬特性。

2）軟特性：電動機的轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的下降變化很快，機械特性的斜率較大，但其啟動轉(zhuǎn)矩也較大。這種電動機轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的變化而有著較大變化的特性即為軟特性。

由于抽油機的結(jié)構(gòu)和動力特性，決定了其對電動機性能的要求，這就是啟動轉(zhuǎn)矩大，并且在一個沖程內(nèi)，負荷不均衡，會出現(xiàn)峰值功率和負功率。

在電動機這個環(huán)節(jié)采用的節(jié)能措施主要有兩個方面[2]：

1）改善電動機的軟特性，降低啟動電流，減小裝機功率，提高功率利用率。其中提高轉(zhuǎn)差率是有效的方法之一。異步電動機的轉(zhuǎn)速必須低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，這樣才能在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，進而形成感應(yīng)電流，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，拖動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

2）提高功率因數(shù)，減少無功損耗。這是因為電動機的無功損耗增加了電網(wǎng)的有功損耗，該損耗用無功經(jīng)濟當量來計算。無功經(jīng)濟當量是指電動機每吸收1 k v a r的無功功率，相當于電網(wǎng)所增加的有功損耗。引入無功經(jīng)濟當量的原因是當電動機的功率因數(shù)小于1時，由于電動機吸收無功功率，在線路上產(chǎn)生無功電流，從而在電網(wǎng)上造成了有功損耗。

2 抽油機電動機負載特性

油田根據(jù)供液量的大小，為每臺抽油機配備容量不等的鼠籠式三相異步電動機。電動機的負載不

同于一般的負載，它的負載變化范圍大，是以抽油機沖程為周期連續(xù)變化的周期性負載。抽油機在上沖程時處于抽油狀態(tài)，載荷大，電動機輸出功率也大；下沖程時，抽油機負載非常小，基本上處于不工作狀態(tài)，電動機輸出功率也小。為平衡這兩種工作狀態(tài)，抽油機通常都配有具有較大慣量的平衡塊，當抽油機由停止狀態(tài)啟動時，就需要較大轉(zhuǎn)矩，這就要求所配套的異步電動機的啟動轉(zhuǎn)矩要非常高。鼠籠式三相異步電動機的一大缺點就是啟動性能差，很難滿足于在較大轉(zhuǎn)矩的情況下啟動[3，4]。

解決這個問題以往采用的方法是提高配套電機的容量，容量提高后，啟動轉(zhuǎn)矩的絕對值也隨之提高，可以克服這個缺點。但是，隨之而來的就是“大馬拉小車”的問題。用較大容量的電動機帶動較小功率的負載，造成電動機的負載率較低，電動機處于非經(jīng)濟情況下運行，此時的功率因數(shù)和效率均較低。這就造成了初期投資成本增加，以及由于電動機的功率因數(shù)和效率低而產(chǎn)生的電能浪費。這種情況在油田十分普遍，必須找出切實可行的解決方案。

3 抽油機動態(tài)無功補償控制系統(tǒng)

抽油機電動機負載是決定整個配電網(wǎng)功率因數(shù)的關(guān)鍵因素，要想提高整個配電網(wǎng)的功率因數(shù)，必須研究抽油機的負載特性和電動機的運行特性，計算電動機運行時的無功功率，才能提出切實可行的無功補償方案，達到提高功率因數(shù)、降低線路損耗、提高效益的目的。

3.1 動態(tài)無功補償控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

動態(tài)無功補償控制系統(tǒng)主要由以下部分組成：接入單元、參數(shù)測量單元（測量功率因數(shù)、無功功率、電壓、電流等）、執(zhí)行單元（晶閘管）、無功功率提供單元（電容器）、保護單元（過壓保護、過流保護、外殼防護等）、數(shù)據(jù)顯示與輸出單元及附屬單元（斷路器、熔斷器、電抗器等）。

3.2 動態(tài)無功補償控制系統(tǒng)工作原理

動態(tài)無功補償控制系統(tǒng)采用電抗器串聯(lián)電容器的方式，調(diào)整電抗率以適應(yīng)相應(yīng)的含諧波系統(tǒng)；自動檢測電網(wǎng)電壓及電流，依據(jù)無功功率和功率因數(shù)進行電容器組的投切，通過控制策略實時調(diào)整電容器組的數(shù)量，以達到無功功率的動態(tài)平衡（圖1）。

該系統(tǒng)采用全智能方式控制檢測無功功率，控制準確；利用光電隔離觸發(fā)系統(tǒng)，保證一次系統(tǒng)與二次系統(tǒng)的隔離；利用大功率晶閘管反并聯(lián)組成功率單元，實現(xiàn)對多級電容器組的快速過零投切；通過電容器組提供的容性無功來抵消系統(tǒng)中的感性無功，來達到提高系統(tǒng)功率因數(shù)的目的（圖2）。

3.3 動態(tài)無功補償控制系統(tǒng)特點

◇提高用電負荷的功率因數(shù)，降低流入側(cè)電流，具有顯著的節(jié)能效果；

◇提高供電電壓質(zhì)量，減少系統(tǒng)的電壓降，使末端電壓穩(wěn)定；

◇提高配電變壓器的帶載率，降低變壓器及輸電線路的損失，對挖掘供電設(shè)備的潛力起到積極的作用；

◇由于有串聯(lián)電抗器的存在，裝置還可有效吸收諧波電流，防止諧波放大，起到諧波治理的目的；

◇響應(yīng)速度快，對變化頻繁的負荷的補償效果尤為顯著。

3.4 動態(tài)無功補償控制系統(tǒng)技術(shù)指標

◇額定電壓（V）：A C 38 0，A C 660，A C 1140

◇工作頻率（H z）：50±0.5

◇容量（k v a r）：5~200

◇響應(yīng)時間（s）：0.1~100可調(diào)

◇過載能力：1.2倍

◇系統(tǒng)電壓畸變率：TH D<5%

◇功率因數(shù)：PF>0.8 5

◇防護等級：IP32

◇冷卻方式：強迫風冷

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

2010年10月以來，在大慶油田各采油廠安裝了多臺動態(tài)無功補償控制系統(tǒng)，節(jié)能效果明顯。表1為部分現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)：

表1 動態(tài)無功補償控制系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)

從表1可以看出，應(yīng)用節(jié)能型動態(tài)無功補償控制系統(tǒng)以后，油井平均綜合節(jié)能11.42%，功率因數(shù)平均提高了0.16。

根據(jù)表1的分析結(jié)果，以1臺30k W的抽油機電動機為例，其運行一年可節(jié)電29600k W h。

若每千瓦時工業(yè)用電按1元計算，則每年可節(jié)約29600元，經(jīng)濟效益非常可觀，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

5 結(jié)語

抽油機動態(tài)無功補償控制系統(tǒng)采用由晶閘管無觸點交流開關(guān)投切電容器，當無功電流增大（減小）到定值時，調(diào)節(jié)器對指定的晶閘管輸出（或停止）觸發(fā)脈沖使之導通（或截止），而將電容器投入（退出）運行。可以分別獨立監(jiān)測各相功率因數(shù)并對各相進行獨立實時補償，同時可重復投切電容器不須放電，無功始終受控。

[1]楊柳.劉興嶺.任春祥,等.抽油機節(jié)能的有效手段[J].石油石化節(jié)能.2 0 0 9,3 0（2）:1 5-1 8.

[2]張燕賓.抽油機變頻調(diào)速的若干現(xiàn)象[J].自動化博覽,2 0 06,2 3（1）:32-3 4.

[3]張學魯.抽油機技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,2 0 01:2 7-3 1.

[4]金偉,高增海.抽油機平衡測試方法的研究與改進[J].石油機械,2 0 0 1,2 9（1 1）:2 6-3 0.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.04.010

孫寧，2007年畢業(yè)于華北水利水電學院，從事電力規(guī)劃工作，E-m a i l：s u n n_d o d@p e t r o c h i n a.c o m.c n，地址：黑龍江省大慶市讓胡路區(qū)大慶油田設(shè)計院總體規(guī)劃室，163712。

2012-02-20）