超級(jí)電容儲(chǔ)能模塊在游梁式抽油機(jī)中的研究與應(yīng)用

徐海亮 蘭明君 趙永杰 李軍 鄭華 郭江 李端斌

摘? 要：抽油機(jī)帶動(dòng)抽油桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，屬于典型的位能型負(fù)載，電動(dòng)機(jī)會(huì)周期性的進(jìn)入倒發(fā)電狀態(tài)，如果倒發(fā)電功率較大，電能被反饋回電網(wǎng)，引起末端電網(wǎng)電壓波動(dòng)，造成諧波污染，所以必須對(duì)倒發(fā)電能量進(jìn)行處理。文章通過(guò)對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)抽油機(jī)饋能的回收再利用，同時(shí)提高了系統(tǒng)功率因數(shù)，降低線損，優(yōu)化供配電網(wǎng)絡(luò)容量配置。

關(guān)鍵詞：抽油機(jī)饋能;超級(jí)電容;變頻器;雙向DC/DC單元

中圖分類號(hào)：TE933? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）26-0180-02

Abstract： The pumping unit drives the sucker rod up and down reciprocating motion， which belongs to the typical potential-type load. If the reverse power generation power is large， the electric energy will be fed back to the grid， causing voltage fluctuation of the terminal grid and causing harmonic pollution. Therefore， the reverse power generation energy must be processed. In this paper， through the study of supercapacitor energy storage technology， the recovery and reuse of the fed energy of the pumping unit are realized， the system power factor is improved， the line loss is reduced， and the capacity configuration of the power supply and distribution network is optimized.

Keywords： pumping unit feeds energy; supercapacitor; transducer; bidirectional DC/DC unit

隨著油田的不斷開(kāi)發(fā)，近年來(lái)，我國(guó)大部分油田已進(jìn)入開(kāi)發(fā)中后期，油井供液量不足，而且受作業(yè)影響較大。根據(jù)節(jié)能及生產(chǎn)要求，變頻器被廣泛應(yīng)用于抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于抽油機(jī)周期性的進(jìn)入倒發(fā)電狀態(tài)，倒發(fā)電能量被注入到直流側(cè)，導(dǎo)致直流側(cè)電壓升高，為防止電壓過(guò)高造成器件損壞，必須對(duì)倒發(fā)電能量進(jìn)行處理。為解決該問(wèn)題，現(xiàn)有的處理方式主要有三種：回饋電網(wǎng)、就地消耗、儲(chǔ)存。使用四象限整流器將倒發(fā)電能量回饋電網(wǎng)，會(huì)造成電網(wǎng)末端電壓波動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。就地消耗大部分以電阻發(fā)熱形式進(jìn)行，造成能量浪費(fèi)。電能儲(chǔ)存就是將抽油機(jī)倒發(fā)電能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，當(dāng)抽油機(jī)進(jìn)入電動(dòng)狀態(tài)時(shí)再利用，是最有可能實(shí)現(xiàn)節(jié)能與安全兼顧的方法。

1 變頻儲(chǔ)能技術(shù)原理

變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊，電動(dòng)機(jī)基波功率因數(shù)可由0.25～0.50提高到0.90以上，降低變壓器及線路損耗。利用變頻器可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、無(wú)極調(diào)速，不需停產(chǎn)即可根據(jù)油井的實(shí)際供液能力，動(dòng)態(tài)調(diào)整沖次，減少空抽，節(jié)能效果明顯。

儲(chǔ)能技術(shù)就是采用超級(jí)電容將倒發(fā)電能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，當(dāng)抽油機(jī)負(fù)載較重時(shí)再利用。變頻儲(chǔ)能主電路如圖1所示，雙向DC/DC單元輸入端連接到變頻器直流母線，輸出端連接到超級(jí)電容器單元。由于雙向DC/DC單元及超級(jí)電容器均有電流限制，因此變頻器通電后，雙向DC/DC單元首先對(duì)超級(jí)電容充電到設(shè)定值，當(dāng)抽油機(jī)進(jìn)入倒發(fā)電狀態(tài)時(shí)才能提供足夠的充電功率。抽油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，雙向DC/DC單元根據(jù)直流母線電壓控制電能在超級(jí)電容器與變頻器直流母線間雙向流動(dòng)。抽油機(jī)進(jìn)入倒發(fā)電狀態(tài)時(shí)，直流母線電壓升高到設(shè)定值時(shí)，雙向DC/DC單元向超級(jí)電容充電，并根據(jù)倒發(fā)電程度自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流，穩(wěn)定直流母線電壓。當(dāng)抽油機(jī)進(jìn)入電動(dòng)狀態(tài)后，電流母線電壓下降到設(shè)定值時(shí)，雙向DC/DC單元按照設(shè)定電流向直流母線放電，當(dāng)超級(jí)電容電壓下降到設(shè)定值時(shí)停止放電。利用變頻自帶的制動(dòng)單元，外接制動(dòng)電阻用于吸收偶然出現(xiàn)的尖峰倒發(fā)電功率。

2 超級(jí)電容器單元選型設(shè)計(jì)

通過(guò)研究抽油機(jī)負(fù)載特性、超級(jí)電容器的充放電原理及特性、影響超級(jí)電容器儲(chǔ)能的主要因素等，確定適應(yīng)于抽油機(jī)負(fù)荷特點(diǎn)的超級(jí)電容器儲(chǔ)能模塊的組成方式、容量配置。超級(jí)電容器配置時(shí)主要考慮2個(gè)方面的因素：儲(chǔ)存能量和充放電功率。

抽油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中功率曲線如圖2所示，抽油機(jī)周期性的交替進(jìn)入倒發(fā)電狀態(tài)和電動(dòng)狀態(tài)。設(shè)計(jì)前期對(duì)大量油井進(jìn)行了測(cè)試，圖2曲線是所測(cè)油井工頻運(yùn)行每分鐘6沖次，倒發(fā)電功率大，雖然持續(xù)時(shí)間短，但是每次倒發(fā)電能量與其它倒發(fā)電比較劇烈的井基本相當(dāng)，因此按照該井設(shè)計(jì)超級(jí)電容器單元。

抽油機(jī)周期性的交替進(jìn)入倒發(fā)電狀態(tài)和電動(dòng)狀態(tài)，超級(jí)電容只要能滿足抽油機(jī)一個(gè)沖次過(guò)程中出現(xiàn)的倒發(fā)能量最大的一次即可，不需要考慮倒發(fā)電能量積累。如圖2所示，每次倒發(fā)電過(guò)程持續(xù)時(shí)間為2S，持續(xù)時(shí)間內(nèi)倒發(fā)電平均功率8kW，則超級(jí)電容器需要儲(chǔ)存的能量：

由于超級(jí)電容器要及時(shí)吸收抽油機(jī)倒發(fā)電能量，所以超級(jí)電容器除了要能夠儲(chǔ)存足夠的能量外，還需要承受足夠大的充電功率。充電功率與充電電流和超級(jí)電容器電壓有關(guān)。

選擇額定電流40A的雙向DC/DC單元對(duì)超級(jí)電容充電，超級(jí)電容器工作電流同樣選擇40A。由圖2可知，峰值倒發(fā)電功率達(dá)到16kW，但持續(xù)時(shí)間非常短，而且該井是所測(cè)油井中倒發(fā)電功率最大的井，如果按照峰值功率設(shè)計(jì)，會(huì)增加成本、設(shè)備容量浪費(fèi)嚴(yán)重，而且設(shè)計(jì)了制動(dòng)電阻，對(duì)于極短時(shí)間的峰值功率造成的直流母線電壓過(guò)高由制動(dòng)電阻吸收，因此最大充電功率按照峰值功率的一半即8kW設(shè)計(jì)即可滿足實(shí)際需求。按照以上參數(shù)計(jì)算充電起始電壓為200V，選擇3組90V超級(jí)電容器組串聯(lián)，額定電壓270V，按照充電到260V計(jì)算儲(chǔ)能量：

最終選擇額定電壓90V，額定電流40A，電容量為10F的超級(jí)電容器組，3組串聯(lián)組成超級(jí)電容單元。

3 控制單元設(shè)計(jì)

控制單元以PLC為核心，如圖3所示，完成人機(jī)交互、故障檢測(cè)、自動(dòng)控制等功能。PLC外接觸摸屏、開(kāi)關(guān)、按鈕、繼電接觸控制電路，完成控制柜的基本功能。電參數(shù)表檢測(cè)電網(wǎng)參數(shù)，PLC根據(jù)電網(wǎng)電壓調(diào)整雙向DC/DC單元向超級(jí)電容器充電的直流母線起始電壓和結(jié)束電壓，避免由于電網(wǎng)電壓偏高造成持續(xù)對(duì)超級(jí)電容充電。PLC根據(jù)油井倒發(fā)電過(guò)程中直流母線電壓、雙向DC/DC單元電流、超級(jí)電容器最高電壓等參數(shù)，自動(dòng)調(diào)整超級(jí)電容放電截止電壓。例如雙向DC/DC單元達(dá)到額定電流但直流母線電壓高于目標(biāo)電壓，而超級(jí)電容最高電壓又低于額定電壓，則表示抽油機(jī)倒發(fā)電功率偏大，但是倒發(fā)電持續(xù)時(shí)間短、能量少，則自動(dòng)調(diào)整雙向DC/DC單元參數(shù)，增大超級(jí)電容放電截止電壓。PLC還檢測(cè)超級(jí)電容故障、變頻器故障、雙向DC/DC單元、電網(wǎng)異常等，自動(dòng)執(zhí)行故障處理及記錄。

4 實(shí)施效果分析

經(jīng)過(guò)研究、設(shè)計(jì)、組裝、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)后，安裝到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，平均功率因數(shù)0.9以上，滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)需要。通過(guò)對(duì)油井抽油機(jī)功率損耗、節(jié)約線損和變壓器容量費(fèi)的計(jì)算，單井年節(jié)約資金在1.6萬(wàn)元左右，同時(shí)減少油井空抽運(yùn)行時(shí)間，改善了油井工況，延長(zhǎng)油井檢泵周期。

5 結(jié)束語(yǔ)

解決游梁式抽油機(jī)的各種問(wèn)題，提高整體的系統(tǒng)效率是一個(gè)重大問(wèn)題。油田采取了各種措施提高效率，降低能耗，變頻技術(shù)應(yīng)用最成功、最廣泛，但也存在一些問(wèn)題，本項(xiàng)目在變頻的基礎(chǔ)上融入了超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率。針對(duì)抽油機(jī)由于不平衡饋能而造成的電機(jī)再生倒發(fā)電問(wèn)題，通過(guò)超級(jí)電容儲(chǔ)能，對(duì)能量回收再利用，最終達(dá)到提高抽油機(jī)電機(jī)的功率因數(shù)，節(jié)能降耗，降低生產(chǎn)成本的目的。而且整流單元可控制直流側(cè)電壓，當(dāng)電網(wǎng)電壓異常升高時(shí)，可控制直流電壓保證設(shè)備安全，不影響生產(chǎn)。

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