抽油機電機無功補償技術(shù)的研究

胡曉東　韓鹍　孫蘇坡

摘 要：在油田開采過程中，抽油機電機占據(jù)消耗資源的主要部分，減少采油區(qū)抽油機的電量消耗對于減少電網(wǎng)的電能損耗，提高抽油機采油效益，減少開采成本具有重大意義。文章通過對油田抽油機電機實際運行數(shù)據(jù)的分析，得到了其運行中的負載特性和功率因數(shù)變化曲線，并對數(shù)據(jù)變化和實際采油區(qū)無功補償實例進行分析，給出了降低無功功率、提高功率因數(shù)和采油效益的技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：抽油機；功率因數(shù)；無功補償；SVG

中圖分類號：TE327 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）04-00-03

0 引 言

目前在采油區(qū)，抽油機是機械設(shè)備工作消耗資源的主要部分，其耗電量約占油區(qū)總供電量的30%，這是采油投資成本相對較高的主體因素。由于抽油機在工作中，其負荷是抽油機沖程變化的連續(xù)性負載，其實際運行狀態(tài)研究表明在這種連續(xù)性變化負載下配電網(wǎng)系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，線路損耗也較大，每次采油中都需要消耗大量資源。因此，在實際采油中如何降低抽油機系統(tǒng)運行無功功率，減少電機損耗，促進油田節(jié)能系統(tǒng)控制，對油田開采項目發(fā)展有重大意義。

1 抽油機電機負載特性研究

在油田開采過程中，抽油機運行是以電機轉(zhuǎn)動為動力，通過電機轉(zhuǎn)動來帶動皮帶和減速箱運行以及抽油桿做往復(fù)運動。在油田開采中根據(jù)實際情況，為每一臺抽油機匹配不同容量的電機。油區(qū)電機負載與其他負載有所不同，采油區(qū)電機是以抽油機運行的連續(xù)性變化負載[1]。在抽油機運行的一個周期中，不同時刻對應(yīng)的負載是不斷變化的，這種類型的負載在油田機械設(shè)備工作中很常見。在整個設(shè)備運行過程中，抽油機工作狀態(tài)有上沖程與下沖程之分，在上沖程狀態(tài)，電機拖動負載大，輸出功率大；在下沖程狀態(tài)，電機帶動負載小，相對輸出功率小[2]。為了使抽油機上沖程與下沖程工作狀態(tài)趨于平衡，采油區(qū)一般都在油機上裝有平衡塊，這樣抽油機在啟動時就需要較大轉(zhuǎn)矩，以此帶來的結(jié)果是，在電機開始啟動時有新的要求，需要電機從停止?fàn)顟B(tài)起動時有較高的轉(zhuǎn)矩[3]。

在實際應(yīng)用中，油區(qū)的抽油機電機一般為三相異步電動機，電動機上電后，從停止?fàn)顟B(tài)開始轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)矩如果過大啟動就會很困難，為了解決此問題，提出的方案是增大抽油機配備電機容量，這樣電機啟動轉(zhuǎn)矩就會隨電機容量的增大而提高[4]。但在運行中又會出現(xiàn)“大馬拉小車”的新問題，由于電機運行周期中長時間處在低負荷狀態(tài)下，此時電機的負載率低，使其功率因數(shù)和工作效率也降低。從而導(dǎo)致采油區(qū)投資增大與設(shè)備運行效率降低，進而造成線路上電能的浪費[5]。這種現(xiàn)象在采油區(qū)比較常見，所以要找出相關(guān)方案來減小更多不必要的能源浪費。

2 抽油機電機的運行狀態(tài)分析

根據(jù)抽油機運行中負荷特點的理論分析，可得出抽油電機的大概工作狀態(tài)。抽油電機在運行狀態(tài)中大概有兩種模式：

（1）當(dāng)拖動負載轉(zhuǎn)動時電機運行狀態(tài)為電動機工作模式，直接從電網(wǎng)中獲取所需的有功和無功功率；

（2）在運行中負載反帶動電機轉(zhuǎn)動，為電機的發(fā)電機工作狀態(tài)，在此狀態(tài)下電機運行只需無功功率，是從電網(wǎng)中獲取的，并且還向其提供有功功率[6]。

從電機工作狀態(tài)中可以看出，不管電機處于哪種工作模式，運行中所需的無功功率都要從電網(wǎng)中獲取。當(dāng)電機反轉(zhuǎn)運行開始為發(fā)電機工作模式時，電機需從電網(wǎng)中獲取無功來供內(nèi)部勵磁，此時獲取的無功即為電機運行時的空載功率， 空載功率的大小與電機在工廠中設(shè)計、制作、選材等有關(guān)；但同時也反向電網(wǎng)輸送電能[7]。當(dāng)電機拖動負載轉(zhuǎn)動為電動機狀態(tài)時，無功功率大小與負載量直接相關(guān)。

根據(jù)以上分析， 做出抽油機電機運行的近似曲線圖。圖1所示為抽油機電機負載轉(zhuǎn)矩曲線 ，其中M（i）為減速箱輸出軸上的轉(zhuǎn)矩，i為輸出軸轉(zhuǎn)的角度；圖2所示為電機功率曲線，其中P2（i）為電機有功功率，Q2（i）為電機無功功率，S2（i）為電機視在功率。

3 抽油機動態(tài)無功補償研究

目前，電網(wǎng)在輸送電中對線路無功補償方式主要有以下兩種 ：

（1）在配電變壓器低壓側(cè)進行集中補償，補償容量大小隨其功率因數(shù)高低而實時改變，在實際輸電中常用此方法。在采油區(qū)，集中補償是同時對多臺抽油機進行補償， 以此提高油區(qū)配電系統(tǒng)的功率因數(shù)及提升采油效益。但在實際采油中每臺抽油機的運行狀況可能不一樣，在抽油機運行的一個周期內(nèi)負載變化范圍較大，集中補償方式到單臺抽油機可能不會得到有效的補償。

（2）在抽油機電機旁進行直接補償[8]。此方法是對每臺抽油機電機直接進行快速補償，這樣分散補償單臺抽油機電機比集中補償所帶來的采油效益要好。

根據(jù)以上理論分析與采油區(qū)的實際情況，提出用SVG裝置來對抽油機運行中進行無功補償?shù)姆桨浮?/p>

在電網(wǎng)輸送電過程中，靜止無功發(fā)生器是電網(wǎng)輸送電量中節(jié)能的主要裝置之一。與其他補償設(shè)備相比較，SVG 裝置沒有采取傳統(tǒng)意義上的投切電容器來進行無功功率補償，SVG裝置利用電力電子器件組成自換相橋式電路，連接電抗器與電網(wǎng)并聯(lián)，通過實時調(diào)節(jié)電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，使電路吸收或者發(fā)出滿足線路要求的無功電流，而且適當(dāng)減少對于補償電流產(chǎn)生的諧波采取多重化、多電子等措施，這樣在電網(wǎng)輸送電過程中可以使補償效果更好 [9]。

在采油區(qū)配電網(wǎng)系統(tǒng)采用SVG無功補償技術(shù)方案，SVG裝置通過實時采集配電網(wǎng)與抽油機電機工作中的電流信號與經(jīng)過裝置線路中的電流及電壓信號，再用理論算法計算出線路中有功與無功功率參數(shù)，經(jīng)過實時調(diào)節(jié)來控制IGBT開關(guān)通斷，使其輸出電流幅值和相位與配電網(wǎng)電壓相位相同，達到配電網(wǎng)系統(tǒng)所要的補償效果，使油區(qū)配電網(wǎng)運行功率因數(shù)提升[10]。經(jīng)過實際對油田的考察并記錄數(shù)據(jù)，以及對數(shù)據(jù)的分析，對電路進行理論上的仿真，判斷SVG是否滿足負載連續(xù)變化是可以得到補償?shù)囊蟆?/p>

4 系統(tǒng)仿真

為了證實此方法的可行性，證明SVG可以對連續(xù)性變化負載達到補償效果，仿真電路中選用三相異步電動機的額定功率為15 kW，額定電壓為400 V，頻率為50 Hz。在電路開始運行時，電機接入轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩變化趨勢如圖1所示，電機開始啟動時有很大的啟動電流，在0.2 s左右達到穩(wěn)定，從功率與功率因數(shù)曲線圖開始的波動可以看出。圖8、圖9、圖11、圖12所示為電機轉(zhuǎn)動兩個周期所得，其中，圖8所示為未補償前無功（藍）與有功（黑）圖，圖9所示為未補償前功率因數(shù)，圖11所示為補償后的無功（藍）與有功（黑）圖，圖12所示為補償后的功率因數(shù)。以7 s為一個周期，其中0 s至4 s，6 s至7 s為電機正轉(zhuǎn)矩運行即電動機模式，4 s至6 s是轉(zhuǎn)矩為負轉(zhuǎn)矩運行即發(fā)電機模式；可以看出隨電機輸入連續(xù)性變化轉(zhuǎn)矩時SVG補償?shù)男Ч肮β室驍?shù)的前后變化，補償后電路功率因數(shù)接近于1，說明電路中無功得到充分補償，此仿真是可行的。由上圖可以得出結(jié)論：當(dāng)負載連續(xù)變動時，SVG可隨時根據(jù)其變動而動作以實時補償線路中的無功功率。

5 結(jié) 語

通過對抽油機電機運行中拖動負載變化與電機工作狀態(tài)的分析，以及在油田實地觀察記錄，采集了一系列數(shù)據(jù)，結(jié)合專業(yè)理論得到了設(shè)備運行的大概曲線走勢，為補償設(shè)備的選取提供了可靠的理論分析，也為以后改進補償設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。

在油田實際開采過程中，油田配電系統(tǒng)是一個復(fù)雜的電網(wǎng)系統(tǒng)，直接連接多個抽油機同時運行，線路分布較廣，在實際工作中存在很多棘手的問題，需要根據(jù)設(shè)備的實時數(shù)據(jù)變化作出合理判斷并采取措施來解決實際問題。例如根據(jù)抽油機電機實際運行選取合適的SVG裝置以符合配電系統(tǒng)的變化擾動以及系統(tǒng)設(shè)計的參數(shù)變化；如何在實際中控制SVG裝置與抽油機電機的協(xié)調(diào)配合；如何在理論上使SVG控制方法與實際配電網(wǎng)系統(tǒng)相結(jié)合達到補償?shù)哪康牡?；在實際開采中處理好這些問題，就可以提升采油效益，減少不必要的資源浪費。

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