油田电气节能方案

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著增加加大。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20m。一般而言，抽油机配套电动机最小10kW，最大55kW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6kV送至各配电变压器，6kV配电线路共5条，长度约33km，变压器59台，总装机容量约8780kVA。配电变压器降压至400v，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2000kVA，年耗电量1500万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51.2kVA，有功功率为36.1kW，无功功率为36.3kvar。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，还将显著增大电动机的能耗，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，显著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30.63～41.71A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——15.1kW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88.2～123kW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（1）合理使用异步电动机，减少线路输送的无功功率。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6kV配电网末端由配电变压器降压至400V电压等级对抽油机井供电，且400v线路长度不超过20m，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/0.4kV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6kV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（6～35kV）。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。目前采油厂电网中尚有S7等非节能型变压器在运行。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55kW，可考虑低压侧晶闸重开关电容～（ThyristorSwitchedCapacitor，TSC）补偿方式，可动态补偿抽油机无功需求，显著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。研究表明，线路负荷不均衡时的损耗大于负荷均衡条件下运行的损耗。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。抽油机工作