油田电气节能方案

1、引言
  电能是油田生产的重要动力，随着油田油气勘探开发的深入，用电量将不断增大，减少电能在生产输送、分配及利用中的耗费，提高电能的利用效率，对于保证油田正常生产，提高油田经济效益有着十分重要的意义。
  目前，我国油田大部分采油厂已进入开发后期，综合含水都己达到80％以上，部分油田已超过90％。随着含水率的上升，采出总液量不断增加，能耗迅速增长。由于油田电网的接线方式多采用干线式或放射式．特点是结构简单，设备费用少，运行方便，但问题在于线路较长时，线路末端电压偏低，致使抽油机（异步电动机）不能在额定电压下运行，无法获得最佳效率，使得电动机转差增大，绕组温度升高，加速绝缘老化，影响电动机寿命，电压降低还使得电网功率损耗显着增加加大。同时，油田电网主要负荷是作为抽油机原动机使用的异步电动机，属感性负荷，运行时需从系统吸收无功功率，使供电设备及线路的能量和电压损失加大。
  根据实地调研，约有40％左右的电力用于机械采油，抽油机单井负荷变化幅度大、变化频率高，功率因数在一个冲程中可由0.1变至0.9，造成负荷接入点的电压波动较大。现场调研同时发现，在油区未配置就地无功补偿措施。当然，这种负荷的无功补偿难度极大。采用常规的并联电容器是不能满足抽油机负荷特性的，不是欠补偿就是过补偿。而采用交流接触器控制电容器投切的补偿模式虽然可改善固定静电电容器的补偿方式，但依然不能很好适应抽油机交变负荷的特性，补偿效果不理想。
  油区内油井酉己电变压器有以下几种模式：一台变压器带一口井、带两口抽油井、带多口井的情况，变压器到油井馈线长度一般小于20 m。一般而言，抽油机配套电动机最小10 kW，最大55 kW等各种规格，电动机基本更换为节能电动机。注水站普遍采用变频器对注水泵供电方式，压缩机部分采用变频器供电，部分采用软起动方式以便实现节能和限制起动电流的双重效果。
  由上述情况看，油田在地面电气部分的节能降耗具有很大潜力。
  2、典型油区现场调研
  某油区电网经由35kV变电站降压至6 kV送至各配电变压器，6 kV配电线路共5条，长度约33 km，变压器59台，总装机容量约8 780kVA。配电变压器降压至400 v，就近给油井抽油机、压缩机、注水泵、集输泵等负荷供电，实际用电负荷总容量约2 000 kVA，年耗电量1 500万kW.h。对油区若干典型负荷的重要测点进行了测量，以下是测量数据和相应分析。
  2.1 注水泵变频器输入侧
  对注水站某注水泵的电能情况进行了测试，该泵电动机由变频器供电。分别在变频器输入侧和输出侧对电压、电流、功率因数、有功和无功功率等信号进行了测量。
  线电压波形有轻微平顶，含有少量5次（3.12％）、7次（2.31％）谐波，峰值因数为1.4。电流为马鞍形波形，是典型的6脉动整流电路产生的波形。由电流谐波在系统输入阻抗上的谐波压降使得电压中也含有同次数的谐波分量，会明显影响到连接到该电源进线的其他用电设备的运行。
  线电流中含有5（37.6％）、7（19.2％1、11（10.1％）、13、17、19、23、25等次谐波，谐波非常丰富。电流波形的峰值因数为l.8，严重畸变。输入变频器的总视在功率为51.2 kVA，有功功率为36.1 kW，无功功率为36.3 kvar。功率因数为0.71。可见，变频器输入功率因数较低，谐波含量大。大量变频器同时运行，对系统的总体能耗有较大影响，主要体现在增加配电线路线损和变压器附加损耗及对其他设各的能耗影响上。
  2.2 变频器输出侧
  变频器输出侧即为注水泵电动机的输入侧。图l为变频器输出的线电压、线电流波形。其中基波频率40.8Hz，同时含有极为丰富的谐波成分。输出电压为单极性PWM调制的方波脉冲，具有很高的上升、下降沿，即du/dt极高。若通过电缆线路给电动机类负载供电，不但司能在电动机端形成高幅值的行波反射，导致电动机绝缘老化，损伤，还将显着增大电动机的能耗，大大降低电动机的效率。电压、电流频谱，谐波中含有大量对电动机制动性质、脉动的功率，严重影响了电动机效率，增大了能耗。电流谐波含量非常丰富，波形的峰值因数高达7.2，谐波总畸变率达到90％。这样的电流流经电动机绕组，必然会引起相当比例的、无效的有功损耗。电流谐波的困扰表现的另一个方面是导致电动机的功率因数很低，仅0.26。
  
  图1 变频器输出侧线电压、线电流波形分析表明，配置的变频器没有输出滤波器环节，导致高频谐波分量丰富，显着增加了电动机的功耗。
  2.3 抽油机测点
  抽油机的供电侧电压波形完好，谐波含有率很低，总谐波畸变率为0.7％，电流波形近似正弦，总谐波畸变率为2.7％，主要是含有小于5％的5次和7次谐波分量。图2 是供电电压、电流的连续临测曲线。
  波形表明，抽油机的往复工况，使得功率因数在0.1～0.9范围内往复变化，平均功率因数很低，约0.4左右，具有很大的节能潜力。电流在30.63～41.71 A问变化，波动率为30.3％。改善负荷电流的稳定（削峰平谷）性是可考虑的有效方案。图3为供电功率的连续监测曲线，负荷功率波动范围很大，在3.67--15.1 kW范围内波动，波动率为134％。2.4 压缩机测点
  供电电压波形较好，谐波含有率较低，总谐波畸变率为2.4％，电流波形近似正弦，总谐波畸变率为2.2％，主要是含有小于3％的5次谐波分量。
  
  
  图2 供电电压、电流的连续监测曲线
  
  图3 供电功率的连续监测曲线
  压缩机功率因数在较大范围内往复变化，需要配置动态无功补偿设备提高功率因数，降低变压器容量。
  供电电压在388.3～400.1V间变化，波动率为3.O％，电压波动率满足要求。电流在255.5～311.6A间变化，波动率为19.9％。负荷功率波动范围很大，在88.2～123 kW范围内波动，波动率为33.1％。也可通过改善负荷电流的稳定性挖掘节能潜力。
  3、综合节能方案
  根据油区的现场调研和实测，适合油田配电网和负载的节能降耗原则为：固定补偿与动态调节补偿相结合；分散补偿与集中补偿相结合：低压补偿与高压补偿相结合：调压补偿与降损补偿相结合：无功补偿和谐波抑制相结合的综合节能技术方案。具体而言，有以下7点节能思路：①改善功率因数。②合理选择变压器容量和型式。③平衡负荷、削峰平谷。④变频调速技术及其改造。⑤动态无功补偿和谐波抑制。⑥电压调整和动态电压支撑。⑦提高配网电压等级，增大导线截面。
  3.1 改善功率因数
油田电网中异步电动机消耗的无功功率为
  
  式中， 是电动机空载运行时所需的无功功率； 和 分别是额定负载运行时的有功与无功功率；是电动机实际负载。显然，有功负荷减少，负载系数β降低，无功负载只有小部分按 减少，大部分维持不变，与有功需要量减少不成比例，功率因数变坏。所以选择电动机的容量，应尽量接近其所带负载。可以用校验功率因数最低馈电线路的方法，找出负荷不足的电动机，用钳形电流或利用测量负荷曲线的办法确定适当容量，用小容量电动机代替负荷不足的大容量电动机避免大马拉小车。
  （2）增设无功补偿装置。
  当依靠提高自然功率因数的办法，不能满足经济运行对功率因数的要求时，需增设无功补偿装置，根据油田电网特点，补偿装置一般选用静电电容器，补偿方式可采用集中补偿和个别补偿相结合的办法。为了在运行中调节电容器的容量，可将其连成若干组，根据负荷变化分组投入或切除。提高功率因数所需的补偿容量可按下式计算
  
  式中， 是补偿电容器容量；是有功负荷； 是功率因数改变前的相位角； 是功率因数改变后的相位角。但现场测量发现，抽油机井每分钟冲次8～12次，全天工作，功率因数在O.1～0.9大范围内变化，采用根据负荷变化投切电容器的做法很难满足要求。表现为．补偿容量不连续，为分级投切，达不到最佳补偿效果；暂态瞬变过程多、对系统冲击大；电容器等元件设备容易损坏；在谐波环境下补偿装置拒投以及可能造成谐波放大等问题。
  考虑到油区6 kV配电网末端由配电变压器降压至400 V电压等级对抽油机井供电，且400 v线路长度不超过20 m，因此，单台变压器带多口井情况下，就地动态功率因数补偿最合理的位置应为6kV/0.4 kV降压变压器的高压侧。图4 所示为低压动态无功补偿设备主电路拓扑图，该拓扑接入变压器6 kV侧和固定电容器组，实施动态无功补偿（无功就地补偿）。
   
  
  图4 新型动态无功补偿主电路拓扑图4为新型动态无功电源的原理接线图，图中只画出两组模块，可通过增加模块增大无功电源容量。升压变压器为 接线，装置通过变压器接入不同的电压等级（6～35 kV）。低压侧有两个绕组，分别是星、三角形接线，其线圈匝比为 ，线电压取400V。每个模块由两组三角形接线的TCR支路构成，一组接入变压器△绕组，另一组接入Y绕组，每条支路均可采用相控或投切模式。当所需容量很大时，可以并联多组模块运行，任意时刻只有一组模块为相控方式。
  通过控制每个TCR支路的晶闸管控制角α在90°～180°之间变化，实现0～最大容量范围内调节电抗器电流。由于采用相控方式，支路中会产生高次谐波，在正负半波触发脉冲对称时，基波及谐波电流的幅值仅由控制角α确定。研究表明，上述结构可以实现12脉动效果，即动态无功电源注入系统的谐波电流的次数为12/k±1，k为正整数。在大容量方式下时，由于相控模块只有一组，则谐波含量更小。动态无功补偿装置不需要任何附加滤波装置，注人系统的谐波便能达到国标要求。
  3.2 合理选择变压器容量和型式
  油田现有变压器容量过剩，“大马拉小车”现象非常严重。许多配电站均为两台变压器并列运行，配电变压器运行效率较低。因此，应对系统本身的运行方差异较大：小同容量的配电变压器其损耗也不相同；功率因数的变化对变压器损耗影响较大。
其铜损和铁损高，月老化严重，维护工作量增大。针对变压器在配电网络电能消耗中的影响，采用装配低损耗配电变压器，加装束端低压电容器加强运行管理，合理调配变压器容量等措施，对配电网络中所使用的变压器予以调整，使其运行在最佳工作状态。
  对于大量变压器带单井或取井的吏际情况，负载功率不大，最大功率抽油机仅为55 kW，可考虑低压侧晶闸重开关电容～（Thyristor Switched Capacitor，TSC）补偿方式，可动态补偿抽油机无功需求，显着降低对变压器视在功率的要求，降低变压器总容量，实现节能降耗目的。系统处于三相小平衡运行时，其电压、电流中含大量负序分量。由于负序分量的存在，三相小平衡对电气设备产生不良影响。
  负序电压产生制动转矩，使感应电动机的最大转矩和输出功率下降，还可能引起电动机振动。由于电动机的负序电抗很小（只有正序电抗的1/5～1/7），所以负序电压产生的负序电流很大．使电动机的铜损增加。铜损的加大不仅使电动机效率降低，同时使电动机过热，导致绝缘老化过程加快。
  变压器处于不平衡负载下运行时，如果其中一相电流已经先达到变压器额定电流，则其余两相电流只能低于额定电流。此时，变压器容量得不到充分利用。例如三相变压器供电给单相线电压负载时，变压器的利用率约为57.7％；如果供电给单相相电压负载，则变压器的利用率仅为33．3％；如果处于不平衡负载下运行时仍要维持额定容量，将会造成变压器局部过热，损耗增加。
  TSC的分相控制模式可以平衡三相负载，提高变压器容量利用率，实现节能效益。
  3.3 平衡负荷、削峰平谷
  由于电能具有不能存储的特点，电网运行中用电负荷又随时间而变化，造成在用电高峰期，电力短缺，用电低谷期，发电容量浪费的现象。线路运行中产生的损耗不仅与峰谷差有关，还与峰谷持续时间长短有关。负荷越均衡，电流变化的增量越小，则损耗越小。这说明线路损耗的大小不但和电流增量大小有关，还和各增量持续时间长短有关。

  可以设想，从系统侧看，如果抽油机的运行特性满足下列条件：①吸收稳定、无谐波的正弦电流；②三相功率平衡；③没有冲击涌流或大的起动电流｛④功率因数为l。则抽油机的节能问题会迎刃而解。
  因此，负荷质量调节器（Unified Load QualityConditioner，ULQC）的概念应运而生，它的主电路拓扑实质是并联型电力有源滤波器（APF）的直流母线上配置了储能设蔷及其斩波控制电路，ULQC和负荷并联运行，通过有源滤波、无功和负序补偿、短时有功支持等作用使得从系统侧看负荷达到上述理想抽油机负荷的条件，实现改善用电质量和节能的目标。ULQC是基于超级电容储能控制系统的补偿装置（如图5所示），可提供短时有功支持减小负荷冲击扰动的功能。超级电容是近年来出现的一种新型储能元件，与电池储能相比具有许多显着的优势，在特定应用场合已经显示出取代电池的趋势。
  ULQC是基于IGBT的三相电压源变流器．超级电容通过DC-DC变换连接到ULQC的高压直流母线上。电路拓扑如图5所示。图中VT1～VT6构成ULQC逆变器，除了具有滤波及动态无功补偿功能外，由于设置了储能系统，还口可以短时间内向负荷提供有功功率。当然，在负荷由重载突变为轻载、甚至空载时，也可以快速吸收突减的有功功率，避免系统电压的剧烈变动。CS是超级电容，单体电容的耐压很低，一般低于3v，因此实际应用中要将大量的电容器串联，达到可用的电压水平。当需要ULQC进行有功补偿时，通过Ⅵ8构成的升压电路将超级电容端电压升至需要的直流母线电压，并保持在规定的电压值附近，VT1～VT6作为PWM逆变器工作；而需要对CS充电或吸收部分有功功率时，通过VT7构成的降压电路完成，VT1～VT6作为PWM整流器工作。抽出ULQC直流电容中点町以构成三相四线制系统，此时需要增设一个桥臂控制中线电位。
  
  
  图5 负荷质量调节器
  
  对于波动负荷，系统可以维持输出一基本恒定的功率，波动功率部分由ULQC补偿。当负荷汲取的有功功率小于系统提供的基本功率，则功率差值被ULQC吸收，对超级电容储能系统充电，ULQC的换流器工作于高频整流模式；当负荷汲取的有功功率大于系统提供的基本功率，则功率差值由ULQC提供，超级电容储能系统放电，ULQC的换流器工作于高频逆变模式。
  3.4 变频调速技术及其改造
  对于有大范围调速要求的电动机采用变频调速技术具有非常客观的节能效益。就油田生产的各个环节而言．广泛采用适合的电动机变频技术，可以避免电动机使用效率的浪费，提高电动机运行效率，降低电动机空载运行损耗。
  若考虑油区1200 kVA注水泵采用目前最新的级联多电平H桥串联技术实施变频调速，则年节电费用可达60万元，投资回收期为1年左右。
  前述的现场实测数据中，已经装设变频器的电动机，也可通过改造实现可观的节能效益。如可通过在变频器输出侧加装尤源滤波器滤除变频器输出的高次谐波，得到理想的正弦波电压给电动机供电，这样可以消除大量谐波带来的附加损耗、制动和脉动转矩，不但显着提高电能利用效率还能保护电动机绝缘，延长使用寿命。
  3.5 动态无功补偿和谐波抑制
  油田配电网大约50％的无功功率是消耗在输、变、配电环节中，其余50％消耗在电力用户。通过电网无功电压优化运行，在保证各结点电压合格的条件下，以网损最佳为目标，动态集中控制变压器有载分接开关档位和变电所无功补偿设备（容性和感性）投切，达到全网无功分层就地平衡，全面改善和提高电压质量，降低电能损耗。当电网满足调压条件时，提高或降低运行电压能够达到降损节电的效果。
  为了减少无功功率损耗，就必须减少无功功率在电网里的流动。由于油田井口位置分散，配电线路均为辐射状敷设至井口变压器．6 kV线路较长，末端压降大，功率因数较低，无功损耗严重。最好的办法是就近进行无功补偿，提高用电负荷的功率因数，减少发电机无功出力和减少输、变、配设备中的无功电力消耗，从而达到降低损耗的目的。但油区配电网中含有相当比例的变频设备和整流设备，谐波含量往往较高，使得无功补偿设各不能正常投入，甚至损坏。
  因此动态无功补偿和谐波抑制的综合治理对提高负荷功率因数对降低有功功率损耗的效果具有重要影响，尤其是对低功率因数的用户。通过配电网络并联无功补偿和优化滤波配置，采用400V电压等级晶闸管开关滤波装置（Thyrlstor Switched Filter，TSF），合理配置，进行配电网络无功优化和谐波抑制，提高电网功率因数，降低配电网络损耗，是节能降耗最有效的措施。
  TSF是一种无功补偿兼谐波抑制装置，具有传统的动态补偿装置与电力滤波器的双重优点，可以抑制由于负载变动引起的电网电力波动。晶闸管开关滤波器TSF不仅可以滤除电力系统中的谐波电流，还可快速自动跟踪系统无功负荷变化，进行就地无功补偿，保证用户功率因素在规定的范围之内：TSF可滤掉系统谐波，避免了电网中谐波传输现象，提供了一个稳定、洁净的用电环境：由于TSF采用晶闸管控制电抗器，可自动实现滤波器组投入和切除的操作，具有无浪涌冲击，无电弧重燃的特点，达到确保电力变压器安全运行，改善电能质量的目的。
  一个标准的TSF结构应当具备通过晶闸管开关来限制装置电流的改变以及降低开关的过渡过程的能力。通过对开关过渡过程的分析，表明如果如下的两个条件被满足，可以实现开关的最小过渡过程：电容器在电压的正，负峰值到来之前被充电；晶闸管在系统电压的正，负峰值点被触发。通过对TSF工作方式的分析可以看出，由于TSF滤波嚣在投入系统的时候，电容器两端电压已经与系统线电压致，因此晶闸管导通后，不会产生由于电容器与线电压之间有电压差而出现的充放电振荡现象，从而实现了投切的最小过渡过程。
  3.6 电压调整和动态电压支撑
  当系统电压发生偏差，会对接入电科的用电设备的运行产生重大影响。用电设备是按照额定电压进行设计和制造的。当电压偏离额定电压较大时，用电设备的运行性能恶化，可能会因过电压或过电流而损坏。对异步电动机而言，其电磁转矩发生波动、损耗增加、效率降低、寿命缩短。引起电网电压和频率稳定问题、绝缘问题、铁心饱和及谐振故障，增加损耗、经济运行水平下降。因此，对油田电网超出范围的电压波动必须具有电压调整的手段。
  负荷对于无功功率的要求尽管变化的范围和速率千差万别，但都会引起电源点电压的变化，这会影响到与该点连接的用电设备的运行效率，导致不同用户的负荷间相互干扰。为了防止这种情况发生，一般规定电源电压的变化在指定的范围内。在某些场合，当大幅度的、急剧的负荷变化所产生的电压降落会危害其他设各安全运行或产生系统电压突变的时候，这个限度将更小。因此，在负荷对无功功率的要求不断变化的情况下，电压调整显得很重要。
  油田电网电压调整的措施可以分为两类：一类是依靠调节发电机、变压器的输出端电雎而达到调节网络电压的目的；另一类则是依靠改变无功功率分布、线路参数等方式来实现电压调整。调节发电机端电压、调节变压器分接头的调压方式，只有在电力系统无功电源充足的条件下才是行之有效的。当无功电源不足时，为了防止发电机因输出过多的无功功率而严重过负荷，往往是不得不降低整个电力系统的电压水平，以减少无功功率的消耗量，这时即使用调节变压器分接头等方法可以局部地提高系统中某些点的电压水平，但这样做的结果反而增加了无功功率的消耗，迫使发电机不得不进一步降压运行，以限制系统中总的无功功率消耗，从而导致整个系统的电压水平更为低落，形成电压水平低落和无功功率供应不足的恶性循环，甚至导致电压崩溃。因此，当电力系统的无功电源不足时，就必须在适当的地点装设无功电源对所缺的无功进行补偿。一般说来，在负荷点适当地装设无助补偿装置，可以减少线路上传输的无功功率，使无功得以就地供给．从而降低线路上的功率损耗和电压损耗，相应提高负荷点的电压水平。
  3.7 提高配固电压等级，增大导线截面
  在电能的输送过程中，6kV电压级的配电网的网损占了整个电网网损相当大的比例。理论计算表明，6kV电网升压改造为10kV系统后，负载损耗能降低64％。而且输电线路还能够满足用电负荷增长的需要，提高线路输送容量，线路损失较少。
  在电能的输送过程中，保持输送负荷不变的情况下，加大导线截面，可减少线路电阻，降损节电的效果也较为明显。在工程具体实施时，需根据实际情况，进行经济比较，以达到经济效益的最佳效果。
  4、结束语
  油田开发后期供用电系统改造与节能降耗是一项系统工程，既要有针对性地解决关键问题，又要较全面地把握和研究各系统环节技术的特点和规律；既要积极借鉴国内外的经验和技术，又要研发具有自身特色，适合自身要求的设备和技术，才能较好解决我国油田开发后期所面临的一系列难题，从而达到油田开发经济性与效益性综合平衡。
  
  (责任编辑：电路图)