油井直流微電網(wǎng)智能群控系統(tǒng)在東辛采油廠的應(yīng)用

秦樂勝，李營波

（中國石化勝利油田分公司東辛采油廠，山東東營 257000）

在石油開采領(lǐng)域，機采系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、集輸系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)是油田企業(yè)生產(chǎn)的五大能耗系統(tǒng)，這五大系統(tǒng)的能耗占能耗總量的70%，能耗費用約占油田生產(chǎn)可變成本的30%，其中機采系統(tǒng)耗電又占總能耗的40%[1]。在當(dāng)前國際油價萎靡，石油行業(yè)進(jìn)入寒冬期的大環(huán)境下，逐步加大油田的節(jié)能技術(shù)改造，特別是機采系統(tǒng)的節(jié)能改造，不斷降低油井的能耗是降本增效的重要途徑之一。

1 概況

抽油機井傳統(tǒng)配電大都采用“一井一變”供電模式。拖動電機一定要滿足功率最大值且留有較大余量，這就造成了功率因數(shù)低、無功損耗大的問題。有些油井使用了變頻器控制柜，為生產(chǎn)帶來了一定的便利，但變頻器諧波對電網(wǎng)造成污染。由于抽油機配重做不到完全平衡，倒發(fā)電現(xiàn)象普遍存在，常用的做法是利用電容吸收和制動電阻消耗，大量的熱能易造成柜體內(nèi)的其他電子元件老化，引起故障。這樣的配置，信息化程度低，人工勞動強度大，用工多。另外，采用這種傳統(tǒng)的拖動方式，偷盜電嚴(yán)重，隨著城市化的發(fā)展，很多油井逐漸被居民生活小區(qū)包圍，“私搭亂接”偷盜電時有發(fā)生，安全隱患大。多年來，圍繞機采拖動系統(tǒng)及配電的持續(xù)攻關(guān)，在電機改進(jìn)及控制柜等方面取得了一定成效。但油井生產(chǎn)是一個綜合系統(tǒng)，僅依靠常規(guī)技術(shù)和局部改造難以獲得大的突破，進(jìn)一步深入挖潛，采用新的機采系統(tǒng)節(jié)能改造技術(shù)十分必要[2]。

2 油井直流微電網(wǎng)智能群控系統(tǒng)

2016年，東辛采油廠引進(jìn)了油井直流微電網(wǎng)智能群控系統(tǒng)，分別在辛50區(qū)塊、鹽227區(qū)塊井場安裝使用，取得了一定的節(jié)能效果。

2.1 直流微電網(wǎng)智能群控系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

油井直流微電網(wǎng)群控技術(shù)是根據(jù)抽油機工作特點和井網(wǎng)分布情況，將同一采油區(qū)塊的多口油井視為一個整體，多口油井共用一臺變壓器和一臺整流濾波器，將380 V三相交流變成540 V兩相直流，完成“交—直”變化，540 V兩相直流電以一條共用直流母線的形式輸送到單井，每口單井配備專用的“直—交”逆變器，并聯(lián)掛接在母線上完成電機拖動，如圖1所示。

圖1 直流母線群控功能

圖2 直流微電網(wǎng)群控供電方式

油井直流微電網(wǎng)群控系統(tǒng)采用一臺變壓器集中供電，將交流電經(jīng)三相全波整流濾波后，變?yōu)閮删€制540 V直流電，供給半徑3 km內(nèi)的5～30口油井，在每一臺單井上安裝一套由逆變調(diào)控模塊組成的控制柜，將直流電逆變?yōu)轭l率可變的交流電對抽油機電機進(jìn)行自動調(diào)控，直流微電網(wǎng)智能群控系統(tǒng)供電方式如圖2所示。

2.2 直流微電網(wǎng)智能群控系統(tǒng)的優(yōu)點

通過直流母線供電，使得各油井變頻終端之間的倒發(fā)電能流互饋共享、循環(huán)利用，并且便于實施抽油機電機運行狀態(tài)的分時群控策略和分時軟起動控制方法。直流輸送，功率因數(shù)高，母線電流低，線損小，適合遠(yuǎn)距離輸送；專用的油井逆變器具有變頻器的功能，可實現(xiàn)矢量控制，低電壓（低于額定電壓的35%）恒轉(zhuǎn)矩啟動，同時具有調(diào)頻調(diào)速，自動保護(hù)等功能，適合在油田大范圍推廣。

抽油機井驅(qū)動的“1拖N”模式，實現(xiàn)了變壓器的大幅度減容，利用群內(nèi)的多口油井沖次各不相同、快慢不一交錯運行的特點，加上獨特的直流供電方式及專門開發(fā)的油井逆變調(diào)控模塊，單井容量冗余被充分融合壓減，大幅度降低了變壓器的容量和臺數(shù)，減容達(dá)75%以上，實現(xiàn)了抽油機軟起軟停及調(diào)速運行，還可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)整參數(shù)和故障診斷，獨特的供電方式更讓偷盜電無從下手。

抽油機不平衡造成的反發(fā)電在直流母線上互相利用，進(jìn)一步提高了抽油機的平衡度，電網(wǎng)幾乎沒有無功損耗，變壓器輸入側(cè)的功率因數(shù)可達(dá)0.99。以往晃電造成的意外停機現(xiàn)象也得到了根本的消除。

3 改造實例分析

3.1 辛50區(qū)塊的節(jié)能改造

辛50區(qū)塊井場共有油井22口，停井2口，生產(chǎn)井20口。由于該區(qū)塊井場為線路末端，故可以選用一臺容量較大的變壓器集中供電，最大限度減少變壓器數(shù)量和容量。根據(jù)實際情況，擬采用一臺250 kVA的變壓器為電泵井之外的20口抽油機供電。原電泵井分別由2臺50 kVA的變壓器供電，該次改造保留不變。因為末端高壓線路有交叉，所以需要敷設(shè)兩條總長442 m、截面95 mm2的銅芯電纜，一支到辛50C10井，另一支給另一區(qū)塊剩余的11口井供電。

改造后，該區(qū)塊的變壓器由原來的15臺總?cè)萘?90 kVA減為1臺共250 kVA，減少變壓器容量440 kVA。

辛50井場同時完成了16口高原機和游梁機的改造，日耗電降低了610 kW·h，功率因數(shù)由之前的0.463提高為0.999，綜合節(jié)電24.6%。

3.2 鹽227區(qū)塊的節(jié)能改造

通過對鹽227區(qū)塊井場的勘查和設(shè)計，在井場的西南側(cè)安裝一臺綜合整流柜，新增一臺160 kVA變壓器，利用原高壓線路3條中的2條構(gòu)成正負(fù)回路，在原變壓器的位置安裝1個分線箱，并把原控制柜換成專用控制柜。在綜合整流柜中安裝無線網(wǎng)橋中心端，采集各井?dāng)?shù)據(jù)并集中遠(yuǎn)傳，從根本上解決了大數(shù)據(jù)傳輸過程中的丟包和漏失現(xiàn)象，保障了數(shù)據(jù)的安全。

鹽227區(qū)塊井場原先用5臺變壓器驅(qū)動9口高原機，現(xiàn)減為1臺，總?cè)萘坑?20 kVA減為160 kVA，日耗電降低了413 kW·h，功率因數(shù)由改造前的0.493提高為0.993，綜合節(jié)電達(dá)19.5%。

3.3 節(jié)能改造效益評價

油井直流微電網(wǎng)群控技術(shù)在辛50、鹽227兩個區(qū)塊應(yīng)用后，取得了明顯的節(jié)電效果。改造投資主要是設(shè)備費，包括整流柜、逆變柜、變壓器、線纜和輔料；另外還有機械設(shè)備的租賃費和人工費。因每個區(qū)塊的現(xiàn)場情況不同，投資差異較大，如一口單井須配備一臺逆變柜，改造的井?dāng)?shù)越多，逆變柜的使用量越大，投資也就越大。辛50區(qū)塊使用了20臺逆變柜，投資64.0078萬元；鹽227區(qū)塊使用了9臺逆變柜，投資27.5301萬元。投資情況見表1。

表1 節(jié)能改造投資情況 萬元

改造后直接經(jīng)濟效益分兩部分，一是減少了變壓器容量費；二是節(jié)約了電能消耗。辛50區(qū)塊使用一臺250 kVA的變壓器替代了15臺總?cè)萘?90 kVA的變壓器，年節(jié)約變壓器容量費14.784萬元，單日節(jié)電610 kW·h，年節(jié)約電費45.8185萬元，1.5年即可全部收回投資；鹽227區(qū)塊使用一臺160 kVA的變壓器替代了5臺總?cè)萘?20 kVA的變壓器，年節(jié)約容量費12.096萬元，單日節(jié)電413 kW·h，年節(jié)約電費13.8224萬元，1.7年即可全部收回投資。

3.4 節(jié)能改造后運行情況

油井直流微電網(wǎng)群控技術(shù)在東辛采油廠的辛50、鹽227區(qū)塊井場應(yīng)用后，節(jié)能降耗顯著，運行穩(wěn)定。

3.4.1 油井生產(chǎn)運行穩(wěn)定安全

采用直流母線的集控技術(shù)，實現(xiàn)多臺抽油機的分時最佳軟啟動控制方法，避免多臺抽油機同時啟動對電網(wǎng)造成的沖擊和電壓跌落，進(jìn)行智能化尋優(yōu)控制，避開多口油井大電流的峰值疊加，互相避峰填谷，大幅度降低母線電流，油井生產(chǎn)運行穩(wěn)定安全。

3.4.2 提升油井自動化控制水平

將現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化通訊管理方式與油井群控配置組態(tài)相結(jié)合，通過監(jiān)控中心來完成對各油井電控終端和網(wǎng)電整流器的群組協(xié)調(diào)和監(jiān)控管理。完成油井巡檢、電能計量，繪制曲線和示功圖、下達(dá)指令和網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)布等功能。在各油井電控終端，將數(shù)據(jù)采集及網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和終端控制與保護(hù)功能集為一體，由同一套高性能單片機硬、軟件系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，大幅度提升了油井自動化控制水平。

3.4.3 線路損耗降低

直流輸電線路不存在由于交流功率因數(shù)引起的無功電流損耗及磁感應(yīng)損耗，所以就相同距離和電壓等級的輸電線路而言，直流輸電容量約為交流輸電容量的2倍。直流輸電線路壓降小，電能損耗減小。

3.4.4 不平衡饋能循環(huán)共享，提高電能利用率

各抽油機變頻控制終端一方面共享直流母線來分時汲取電能，另一方面，當(dāng)各抽油機電機分時進(jìn)入倒發(fā)電狀態(tài)時，使反饋到直流側(cè)的能量為同一母線上的其他變頻終端所共享。對各抽油機來說，無論是電動還是倒發(fā)電工作狀態(tài)，都能通過調(diào)節(jié)其運行沖次來進(jìn)行調(diào)整，這可以使不平衡饋能在各抽油機變頻終端之間通過直流母線實現(xiàn)分時能流互饋，實現(xiàn)多臺抽油機的倒發(fā)電能量的互饋共享和循環(huán)利用，從而大幅度提高電能利用率和系統(tǒng)節(jié)能效益，使得抽油機倒發(fā)電饋能問題得以解決。

3.4.5 防止現(xiàn)場盜電現(xiàn)象

在油田靠近農(nóng)村的油區(qū)，以往采用低壓交流供電，盜電現(xiàn)象時有發(fā)生。改造后由于采用直流母線統(tǒng)一供電，可以有效防止盜電現(xiàn)象。因為直流母線電能無法直接用于家庭和農(nóng)鄉(xiāng)生產(chǎn)。

4 結(jié)論

實踐證明，油井直流微電網(wǎng)智能群控系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、節(jié)能降耗、防止盜電、自動控制水平高等優(yōu)點。下一步東辛采油廠還將對營1、鹽22、鹽16等適合改造的井群進(jìn)行升級改造，變壓器將減少50多臺，減容2 900多kVA，預(yù)計年節(jié)電133萬kW·h，年減少變壓器容量費約98萬元。