抽油機(jī)系統(tǒng)

摘要：為提高油田采油系統(tǒng)1140V供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，在對(duì)油田抽油機(jī)負(fù)荷特點(diǎn)和運(yùn)行狀態(tài)，以及抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)無(wú)功補(bǔ)償?shù)拇嬖趩?wèn)題、影響因素等進(jìn)行詳細(xì)分析基礎(chǔ)上，研制了一種用電抗器控制無(wú)功的無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償箱，并詳細(xì)介紹了補(bǔ)償箱的技術(shù)特點(diǎn)、使用方法和實(shí)際應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：配電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償無(wú)功功率電動(dòng)機(jī)

1 引言

油田采油抽油機(jī)用電環(huán)境惡劣，人為竊電現(xiàn)象十分普遍，為防竊電油田抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)不得不采用1140V電壓等級(jí)供電。為降低供電系統(tǒng)低壓線路損耗，抽油機(jī)供電多采用變壓器-電動(dòng)機(jī)單元接線方式。由于抽油機(jī)工況復(fù)雜、供電電壓偏高和供電方式的特殊性，給采油供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備選擇及無(wú)功補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)增加了難度，導(dǎo)致供電系統(tǒng)的功率因數(shù)長(zhǎng)期偏低，一般在0.3～0.4左右，個(gè)別井功率因數(shù)在0.2以下。而電能計(jì)量則同時(shí)計(jì)量消耗有功電量和無(wú)功電量。

這種情況必然導(dǎo)致供電系統(tǒng)網(wǎng)損過(guò)大，供電部門(mén)要向采油單位收取功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)，這對(duì)采油單位無(wú)疑增大采油生產(chǎn)的成本，使采油生產(chǎn)的整體經(jīng)濟(jì)效益下降。為使抽油機(jī)供電功率因數(shù)達(dá)到規(guī)定的要求，解決好1140V抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的無(wú)功問(wèn)題，對(duì)抽油機(jī)負(fù)荷特點(diǎn)、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等問(wèn)題進(jìn)行了認(rèn)真研究，研制1140V的無(wú)功補(bǔ)償及電動(dòng)機(jī)控制箱，實(shí)際使用表明能很好地抽油機(jī)這種特殊負(fù)荷的無(wú)功問(wèn)題。

2 抽油機(jī)負(fù)荷特點(diǎn)及運(yùn)行狀態(tài)

2.1 抽油機(jī)負(fù)荷特點(diǎn)

不同油井抽油機(jī)的負(fù)荷曲線不同，抽油機(jī)負(fù)荷是一種與井下工況和平衡情況有關(guān)，依抽油機(jī)沖程為周期連續(xù)變化的周期性負(fù)荷。

(1)抽油機(jī)負(fù)荷是變化極大的連續(xù)周期性負(fù)荷。變化頻率常用沖程表示，抽油機(jī)沖程一般來(lái)說(shuō)為6～12次/分鐘，即變化周期為5～10秒。

(2)變化周期的上下兩個(gè)沖程各有一個(gè)死點(diǎn)，抽油機(jī)停車(chē)后再起動(dòng)時(shí)，總是從兩個(gè)死點(diǎn)中負(fù)載較大的死點(diǎn)開(kāi)始起動(dòng)。因此，要求抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

(3)抽油機(jī)負(fù)荷轉(zhuǎn)矩和功率變化曲線如圖1所示。從圖中可以看出，抽油機(jī)在工作存在發(fā)電運(yùn)行過(guò)程，其輸出功率的大小和時(shí)間，隨抽油機(jī)工作的實(shí)際工況不同而不同。

抽油機(jī)負(fù)荷特點(diǎn)決定選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，必須按最大扭矩選配電動(dòng)機(jī)。實(shí)際中考慮到砂卡、結(jié)蠟等異常時(shí)，不致因起動(dòng)困難燒毀電動(dòng)機(jī)，通常還要人為增大電動(dòng)機(jī)裕量，這無(wú)疑加劇“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象，使得電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期在低負(fù)荷下運(yùn)行。

電動(dòng)機(jī)負(fù)載率低影響電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB12497-1995規(guī)定，Y系列37kW的6極電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率在0.40以上時(shí)為經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。

一般情況下，電動(dòng)機(jī)效率、功率因數(shù)與負(fù)載率關(guān)系曲線如圖2所示。圖中a點(diǎn)對(duì)應(yīng)的負(fù)載率稱(chēng)為臨界負(fù)載率β0。從圖2曲線可看出：當(dāng)負(fù)載率β<0.70時(shí)，功率因數(shù)隨負(fù)載率下降很快。

功率因數(shù)低下不僅增加電動(dòng)機(jī)本身?yè)p耗，而且給電網(wǎng)造成附加損耗，降低電網(wǎng)供電能力和變壓器設(shè)備的利用率。

2.2 抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分析

根據(jù)對(duì)抽油機(jī)負(fù)荷特點(diǎn)和機(jī)理分析，以及大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試可得到如下結(jié)論：

抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)在正常工作時(shí)，根據(jù)抽油機(jī)機(jī)械負(fù)荷的變化，電動(dòng)機(jī)可能有兩種完全不同的工作狀態(tài)：當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)機(jī)械負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收有功和無(wú)功功率;當(dāng)機(jī)械負(fù)荷拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，向電網(wǎng)送出有功功率。

而但無(wú)論電動(dòng)機(jī)工作在那種狀態(tài)，都要從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率。電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，由電機(jī)理論可知，電機(jī)從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率即空載無(wú)功功率，其大小與電機(jī)的設(shè)計(jì)方法、材料選用和制造工藝等直接相關(guān)。而電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)，無(wú)功功率變化則與電動(dòng)機(jī)負(fù)載大小有關(guān)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明：抽油機(jī)上、下沖程的負(fù)荷變化，會(huì)引起1～4kvar無(wú)功變化。

3 抽油機(jī)供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償研究

油田1140V的抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)絕大多數(shù)采用6kV直配供電、變壓器-電動(dòng)機(jī)單元接線方式，在變壓器低壓側(cè)計(jì)量消耗的有功電量和無(wú)功電量，這種系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)端實(shí)施就地分散無(wú)功補(bǔ)償是最佳補(bǔ)償方案。對(duì)在電動(dòng)機(jī)控制箱加電容器進(jìn)行固定補(bǔ)償，筆者和相關(guān)部門(mén)做過(guò)很多試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)軌虻玫捷^好的補(bǔ)償效果，可以使功率因數(shù)達(dá)到0.85以上。但是，大范圍使用卻暴露出很多問(wèn)題，難達(dá)到十分理想的補(bǔ)償效果。

3.1 電容器選擇匹配問(wèn)題

用電容器實(shí)施固定就地補(bǔ)償?shù)碾娙萜魅萘?，一般按下式?jì)算確定.

Q=(0.95~0.98)√3 UI (1)

式中：U—電動(dòng)機(jī)的電壓，kV;

I—電動(dòng)機(jī)的的空載電流，A。

從計(jì)算公式可以看出，當(dāng)電動(dòng)機(jī)電壓一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)的空載電流也是一定的，所以補(bǔ)償容量QC就是固定的。實(shí)踐表明，這種理論上的選擇方法對(duì)負(fù)載率較高的電動(dòng)機(jī)，能得到較好的補(bǔ)償效果，而對(duì)抽油機(jī)這種工況復(fù)雜、負(fù)載率很低的電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償效果卻很差，功率因數(shù)得不到保證。試驗(yàn)表明，同樣的電動(dòng)機(jī)、相同的補(bǔ)償容量，電動(dòng)機(jī)負(fù)載率不同時(shí)補(bǔ)償?shù)男Ч煌?，抽油機(jī)周期性負(fù)荷的變化，也會(huì)使無(wú)功功率發(fā)生變化。

雖然通過(guò)實(shí)際測(cè)試和進(jìn)行調(diào)試，固定補(bǔ)償在一段時(shí)期能保證功率因數(shù)在0.85以上，但之后會(huì)隨井下工況變化而發(fā)生改變。另外，抽油機(jī)電機(jī)分22、30、37、45、55kW等多種容量，電機(jī)極數(shù)有六極、八極的不同，電容器規(guī)格也不同，電機(jī)還有新、舊之分(大量電機(jī)經(jīng)過(guò)多次修理)，這些因素對(duì)補(bǔ)償無(wú)功都有很大影響。因此，測(cè)試和調(diào)試的工作量非常大，而大量的測(cè)試和調(diào)試工作現(xiàn)場(chǎng)人員是難以很好完成的。

3.2 過(guò)補(bǔ)引起的無(wú)功倒送問(wèn)題

由于抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償無(wú)功情況復(fù)雜，及使功率因數(shù)達(dá)標(biāo)是用戶(hù)追求的目標(biāo)，一些文獻(xiàn)介紹固定補(bǔ)償功率因數(shù)能達(dá)標(biāo)的實(shí)例[2]，其補(bǔ)償電容器可能會(huì)處在過(guò)補(bǔ)狀態(tài)。另外，固定補(bǔ)償?shù)目刂撇捎玫氖桥c電動(dòng)機(jī)同時(shí)投切的控制方法，由于補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功大于電動(dòng)機(jī)的空載激磁無(wú)功，切除時(shí)常會(huì)引發(fā)自激而損壞電容器。

過(guò)補(bǔ)引起的無(wú)功倒送是電力系統(tǒng)所不允許的，因?yàn)樗鼤?huì)增加線路和變壓器的損耗，加重供電線路的負(fù)擔(dān)[3]。因?yàn)椋€路、變壓器電能損耗與電流有效值平方成正比，并不會(huì)因?yàn)楣β史此投鴾p小。另外，油田采油供電系統(tǒng)不考慮方向的無(wú)功電量計(jì)量方式，無(wú)功倒送也會(huì)使結(jié)算功率因數(shù)降低，使補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)效益下降。因此，無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)避免出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)現(xiàn)象，而抽油機(jī)無(wú)功補(bǔ)償情況復(fù)雜，上下沖程負(fù)荷變化很大，采用固定補(bǔ)償使功率因數(shù)達(dá)標(biāo)，出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)是難以避免的。

3.3系統(tǒng)諧波的影響問(wèn)題

電容器具有一定的抗諧波能力，但諧波含量過(guò)大時(shí)會(huì)對(duì)電容器的壽命產(chǎn)生影響，甚至造成電容器的過(guò)早損壞。勝利油田采油供電系統(tǒng)用有部分變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，實(shí)測(cè)表明采油供電系統(tǒng)存在諧波的影響問(wèn)題，而這一問(wèn)題往往被忽視，導(dǎo)致一些電容器莫名其妙地?fù)p壞。另外，1140V電容器補(bǔ)償投切涌流大，以及電容器大切除時(shí)可能發(fā)生自激，這些都是補(bǔ)償設(shè)計(jì)必須考慮的問(wèn)題。

3.4 關(guān)于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題

由于抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)無(wú)功補(bǔ)償情況復(fù)雜，大范圍推廣固定補(bǔ)償存在困難和補(bǔ)償效果不理想，如何解決抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)無(wú)功補(bǔ)償成為需要研究的課題，大家自然會(huì)想到動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。而采油生產(chǎn)采用1140V供電目的是防止偷電問(wèn)題，但也給無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的實(shí)施增加了難度。與380V供電相比，1140V的刀開(kāi)關(guān)、斷路器、電容器等設(shè)備的要求高，設(shè)備的價(jià)格高和裝置的體積大。

抽油機(jī)負(fù)荷的變化快，解決動(dòng)態(tài)補(bǔ)償問(wèn)題需要依賴(lài)電力電子技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于電力電子器件制作工藝方面的原因，目前無(wú)法制造高耐壓、小電流的晶閘管元件，而且高耐壓的晶閘管器件價(jià)格非常高。采用晶閘管串聯(lián)技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)、控制上復(fù)雜，成本也很高。對(duì)1140V、功率因數(shù)0.85時(shí)的55kW電動(dòng)機(jī)，可計(jì)算其額定電流在24A左右，并且需要?jiǎng)討B(tài)補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功只有幾千乏。因此，對(duì)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)用晶閘管實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，需要的投資相比較高，性?xún)r(jià)比比較差。

通過(guò)上述的分析和研究可知，由于正常運(yùn)行時(shí)抽油機(jī)的負(fù)荷率非常低，影響因素多，供電電壓高，對(duì)抽油機(jī)這種特殊負(fù)荷的無(wú)功補(bǔ)償，有很多問(wèn)題有待研究和解決。

4 電抗器控制的補(bǔ)償裝置研制

在上述需求分析、研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)、研制了一種通過(guò)電抗器控制無(wú)功的1140V抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)控制箱，補(bǔ)償控制箱主接線如圖3所示。

無(wú)功補(bǔ)償控制箱電容器分為兩組，固定補(bǔ)償和3或4千乏左右的可調(diào)補(bǔ)償。固定補(bǔ)償電容器承擔(dān)電動(dòng)機(jī)的空載無(wú)功，可調(diào)部分受電壓調(diào)節(jié)器的控制，隨抽油機(jī)負(fù)荷變化調(diào)節(jié)、補(bǔ)償變動(dòng)無(wú)功，變動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償由電壓調(diào)節(jié)器控制電抗器實(shí)現(xiàn)。專(zhuān)用電動(dòng)機(jī)保護(hù)器用于過(guò)流、短路和缺相保護(hù)。

鑒于油田1140V抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)的特殊性，根據(jù)開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)考慮了實(shí)際中的各種情況，使裝置具有以下幾方面特點(diǎn)。

(1)電容器是補(bǔ)償控制箱的易損壞設(shè)備，通常電容器損壞最主要原因是過(guò)電壓和過(guò)電流，標(biāo)準(zhǔn)電容器的允許過(guò)電壓1.1UN?？紤]到真空接觸器操作、補(bǔ)償系統(tǒng)可能出現(xiàn)的自激等過(guò)電壓影響，補(bǔ)償箱采用非標(biāo)準(zhǔn)、專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的高耐壓、抗諧波電容器，電容器的絕緣膜為法國(guó)進(jìn)口絕緣膜。

(2)抽油機(jī)用1140V電壓供電，電容器投入時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的浪涌電流。為限制浪涌電流和考慮系統(tǒng)諧波的可能影響，固定補(bǔ)償電容器回路也串有專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)、制造的限流電抗器，且LC串聯(lián)回路的調(diào)諧頻率選擇為189Hz。另外，電抗器設(shè)計(jì)要選擇好電抗器鐵芯線性度，以保證其在投切涌流和額定電壓畸變下不會(huì)發(fā)生飽和。

(3)補(bǔ)償控制箱斷路器用國(guó)內(nèi)信譽(yù)好、高質(zhì)量的真空接觸器;電動(dòng)機(jī)的過(guò)流、缺相保護(hù)器采用現(xiàn)場(chǎng)人員熟悉、習(xí)慣的產(chǎn)品;電壓調(diào)節(jié)器是自己開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用補(bǔ)償控制器。另外，為方便電容器安裝、調(diào)試和運(yùn)行監(jiān)視，補(bǔ)償控制箱內(nèi)安裝有功率因數(shù)表，以便于掌握補(bǔ)償情況、方便調(diào)試或及時(shí)更換固定補(bǔ)償電容器。

5.補(bǔ)償控制箱的使用調(diào)試

由于抽油機(jī)使用的電動(dòng)機(jī)容量不同，電機(jī)極數(shù)有六極或八極等差別，以及新、舊電機(jī)消耗無(wú)功不同，使用本文補(bǔ)償控制箱也需要進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)試，首先是按表1選擇固定電容器。

前面已經(jīng)提到過(guò)，本文設(shè)計(jì)的補(bǔ)償箱采用非標(biāo)準(zhǔn)、專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的高耐壓、抗諧波電容器，考慮到不同容量、不同極數(shù)電動(dòng)機(jī)的通用性，用于固定補(bǔ)償?shù)碾娙萜饔?2、15、18、22、24kvar幾種規(guī)格，通過(guò)組合構(gòu)成固定補(bǔ)償電容器。

可調(diào)補(bǔ)償部分電容器設(shè)計(jì)有3、4kvar兩種規(guī)格，電壓調(diào)節(jié)器檢測(cè)電源端的功率因數(shù)，輸出端控制電抗器實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)變化無(wú)功負(fù)荷的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，補(bǔ)償系數(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)器設(shè)置。

實(shí)際試驗(yàn)表明，要想取得十分理想的補(bǔ)償效果，關(guān)鍵在于固定補(bǔ)償電容器的選擇。表1給出的補(bǔ)償容量配置是根據(jù)電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)給出的結(jié)果。由于抽油機(jī)工況復(fù)雜，特別是實(shí)際調(diào)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)多次修理的舊電機(jī)有功、無(wú)功消耗增加都很大，因此補(bǔ)償箱安裝前后必須進(jìn)行測(cè)試，調(diào)試好后再投入運(yùn)行。另外，對(duì)性能和參數(shù)有較大變化的高耗能舊電機(jī)應(yīng)淘汰。

抽油機(jī)電機(jī)控制箱一般是由多家生產(chǎn)的，生產(chǎn)廠家對(duì)不同抽油機(jī)性能、電機(jī)極數(shù)等情況并不十分清楚。因此，補(bǔ)償箱電容器配置應(yīng)由有關(guān)單位統(tǒng)一負(fù)責(zé)，這一點(diǎn)非常重要。處理好調(diào)試和管理工作，就能得到最理想的補(bǔ)償效果。

6 結(jié) 語(yǔ)

油田抽油機(jī)負(fù)荷特殊、工況復(fù)雜，因此抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題復(fù)雜。本文研究、試驗(yàn)的結(jié)果表明，對(duì)固定補(bǔ)償如果調(diào)試好，能使功率因數(shù)達(dá)到0.85左右，但大范圍應(yīng)用的調(diào)試工作量大，因而難達(dá)到十分理想的補(bǔ)償效果。

本文提出和研制的1140V動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償控制箱，能夠動(dòng)態(tài)補(bǔ)償抽油機(jī)負(fù)荷的變化無(wú)功，實(shí)踐表明能得到十分理想的補(bǔ)償效果，并且具有可靠性高、成本低、調(diào)試簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn);控制箱在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇和補(bǔ)償控制上，有效地解決了抽油機(jī)這種特殊負(fù)荷無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題。

抽油機(jī)采油用電是油田用電大戶(hù)，其電費(fèi)支出約占油田總電費(fèi)的40%左右，因此抽油機(jī)供電降損、節(jié)能意義重大。無(wú)功補(bǔ)償是降低線路、變壓器電能損耗和避免無(wú)功罰款的有效措施，但不能降低電動(dòng)機(jī)的電能損耗。如何利用電力電子技術(shù)即能提高功率因數(shù)，又能降低電動(dòng)機(jī)的電能損耗是需要繼續(xù)研究、解決的問(wèn)題。