油井群控变频互馈系统效率集中控制技术的研究及应用

杨孝刚 王宝明 冯建设 彭敏 樊晓庆 陈善英

（1.长庆油田第三采油厂；2.长庆油田油气工艺研究院）

1 概述

目前，我国油田普遍应用的游梁式抽油机，为了使抽油机可靠、稳定地启动，大型油田的抽油机均采用了较大功率驱动电动机和大容量变压器。这虽然在一定程度解决了启动问题，但正常运行时电动机常处于轻载状态，其运行效率仅为30%左右。变压器及电动机较低的负载率，导致电网传输无功负荷过大，网损增加，电网容量得不到充分利用，供电质量受到影响。采油系统高配置、低效率的现状，造成了电力能源和设备资源的极大浪费，节能潜力巨大[1-3]。

国内外学者已设计研发了大量代表性节能产品及节能方案[4-5]，并取得了显著效果。在抽油机节能控制研究方面先后出现了功率因数补偿器、软启动器、调速电动机、变频调速装置、双功率电动机、Y/△切换装置、可控硅调压装置及间抽控制器(自动控制供液不足油井的启停)等技术。公认效果最好的是变频调速，采用变频调速的优点是：可根据油井的实际供液能力，动态调整抽取速度，既节约电能，又提高油井的采收率；可提高电动机功率因数，减轻电网及变压器的负担，降低线损；可避免电动机、变速箱、抽油机等过大机械冲击，大幅延长了泵及有关设备的寿命。变频调速技术在油田应用中的主要问题是当电动机处于发电状态时，再生能量通过与变频器逆变桥开关器件（IGBT）并联的续流二极管的整流作用，反馈到直流母线，对滤波电容器充电而使直流母线电压升高，产生“泵升电压”，直流母线电压过高时将会对滤波电容器和功率开关器件构成威胁。

解决泵升电压的方法目前有三种：第一种将再生的电能储存在直流母线上的滤波电容里，等到电动状态时再释放做功，有利于节能，但是电容器的储能作用有限；第二种采用基于双PWM 变频电路的电源系统，实现电能反馈，但电路和控制系统复杂，未得到推广，尤其是应用于1 140 V 的抽油机上系统成本更是大幅提高；第三种采用制动电阻消耗掉倒发电能，这种方法设备简单可靠，但是一种浪费能量的方式，不利于节能。

通过油井群控变频互馈节能控制系统安装在井场，是整个油田节能改造的关键设备，利用群控变频及公共直流母线技术，实现各油井能量的互馈共享，有效解决电压泵升问题，对油田节能降耗具有重要意义。该系统在油田实际应用和节能改造过程中亟待解决的问题是：油井供电线路普遍较长，导致直流输电回路投资成本较高，限制了系统的推广应用；交直流不同供电方式判别、转换的安全问题只是通过严格的操作规则来保证，不能异地自动判别转换。

针对上述问题，文中分析了油井变频互馈节能供电控制特点，结合油井实际工况需求，通过动力源与变频互馈控制柜关键单元的供用电及控制设计，实现了与传统供电控制系统兼容的低成本油井变频互馈节能供电控制系统。在此基础上，开发了油井电动机的本地及远程自动控制，实现了数字化群控功能。通过辽河油田的试验监测，在可靠安全运行前提下，节能效果显著。

2 变频互馈节能供电控制方案

如图1 所示，由于各油井工作周期非同步，某些油井提升消耗能量时，其他油井下降倒发电能，通过直流母线的瞬态能量始终满足：所有油井倒发电能+电网供电能=所有电动机耗能，因此可充分利用各电动机倒发电能，同时减小供电网侧油田载荷的波动，提高能量的互馈共享及循环利用，从而提高整个油田的节能效率。

倒发电能在油田内部消耗，解决了污染电网的问题。电动机的功率因数大幅提高（一般在0.93～0.99），采用通常电容补偿的方法很难达到理想的效果，对整个作业区的电网资源利用效率大幅提高。变频互馈控制柜电动机的启动都是软启动，克服了直接启动对电及电网的冲击，运行电流和冲击电流的减小可将原变压器容量减小50%。现场应用时的供电和控制的可靠性设计及实现成本至关重要。

3 变频互馈节能供电控制系统设计

现有油井群控变频互馈控制系统的保护措施是加强严格的操作规程。再加2 根联络线来互锁，用6 根供电线供电，6 根供电线分别为交流A 相、交流B 相、交流C 相、中线N、直流＋、直流－，然而严格的操作规程不能从根本上杜绝事故发生，再加2 根联络线来互锁，用6 根供电线都存在旧设备改造现场实施难度大、距离远、成本过高的问题。

根据油井现场运行工况需求，新设计系统应与原供电控制系统兼容，在某些工况下需要利用交流电动机直接启动的瞬时大转矩满足地质层钻探初始转矩的工况需求，因此对油井电动机而言，应能实现交流供电和群控变频互馈节能供电控制两种方式之间的灵活切换。按传统思路若重新架设新的直流供电线路，虽然控制方案节能实现，但改造投资成本大幅提高，最终的经济效益并不显著，文中设计的变频互馈节能供电控制系统则克服了上述问题。

3.1 系统方案

图2 所示，为本系统整体构架现场示意图。动力源控制柜将油厂变压器二次侧三相交流电压根据各油井不同的工况需求，或者交流输出给油井电动机，或者通过整流器后的直流母线输出给多个油井电动机。变频互馈控制柜设立于各油井口，内设逆变单元和现场控制单元，根据油井工况需求完成相应控制。

3.2 系统关键单元设计及实现

3.2.1 动力源设计

如图3所示，图中交流A、B、C及中线N为10 kV变压器二次侧输出交流线路，交流A、B、C 作为整流模块的三相交流电源，整流输出直流P+及P-，QF1-QF4 为双向复合开关，当各开关合向上触点时，动力源作为直流电源进行供电，其中隔离变压器的主要作用是将控制电路与主供电电路隔离，其二次侧输出作为电压源为控制电路供电。从接线图显然可见，当QF1-QF4 各开关合向下触点时，动力源作为交流电源进行供电。交直流共享接线方式的关键问题是如何可靠、自动根据现场工况需求进行交直流供电方式的转换，因此变频互馈控制柜的设计是最重要的。

图1 变频互馈节能供电控制方案

图2 系统整体架构

图3 动力源接线

3.2.2 变频互馈控制柜设计

如图4 所示，当QF1-QF4 合向上触点，动力源直流输出时，变频逆变柜R/P+和S/P-线路为直流输入，将直流电压供给逆变器，实现交流电动机的变频调速运行。T 和N 为经隔离变压器后的交流输入，为后面的控制电路提供电源；当QF1-QF4 合向下触点，动力源交流输出时，变频逆变柜R/P+、S/P-、T 和N 为三相四线的交流输入，直接供电给交流电动机，实现电动机的工频直接启动运行。

现场动力源控制柜在变压器附近，与各油井变频回馈控制柜距离较远。实际运行中，动力源控制柜与变频回馈控制柜必须同步置“变频”或“工频”运行方式，否则会烧坏变频逆变器或电动机。因此设计在尽量降低成本，不增设新线路的同时，动力源和逆变柜两地同步控制，交直流安全互锁保护功能是关键。

基于运行需求，在逆变柜进线端S/P-和N 之间接入中间继电器，当动力源工频供电时，J 线圈带电，J 的常开触点吸合，JC3 线圈通电，交流接触器JC3 闭合，电动机工频启动运行，此时J 的常闭触点断开，JC1 及JC2 线圈失电，直流接触器JC1 和交流接触器JC2 断开，逆变器不带电；当动力源直流供电时S/P-和N 没有电关系，J 线圈失电，JC3 失电，JC1 及JC2 线圈带电，此时直流接触器JC1 和交流接触器JC2 吸合，电动机通过逆变器供电，实现变频运行。

图4 变频互馈控制柜接线原理

如图5 所示，抽油机终端下位机对抽油机运行参数进行实时采集，并通过无线通讯实现与PLC 的通信，同时通过PLC 将相关工作数据传送到触摸屏或者通过网络传输至远程监控平台，用户可通过现场触摸屏或者监控系统对抽油机进行实时在线调参及远程控制，充分发挥同一采油区块内抽油机井的群控优势。

图5 现场数字化控制系统

4 现场应用分析

由以上技术开发的油田群控变频互馈控制系统，2017 年在新寨作业区3 个井组14 口油井进行了现场应用试验，取得了良好的节能效果。

1）安装集中控制节能装置以后，单井电动机以前的配电柜可以去掉，只需在井口安装启动和停止按钮即可，这样检修和维护时，只需对1 个集中节能柜进行维护，相对集中非常方便。并且节能装置配电柜有风扇，在夏季时可以对里面设备进行降温，有效保护和延长了设备使用期限。

2）该集中节能装置有电流和电压过载和不足的保护，当电流和电压不正常时，配电柜就会发出报警强制停井，并在控制面板上显示报警原因，待报警原因解决以后才能启井，这对电动机和相关设备起到很好的保护作用。

3） 由于该设备对每口井都安装了1 台变频器，这样可以通过调节变频器的频率来控制电动机转速，从而降低抽油机冲速。目前井区抽油机一般配备7 次、5 次和3.5 次皮带轮，安装变频器以后，只要皮带轮都换成7 次或5 次皮带轮，就可以通过调节频率将抽油机的冲速降到5 次以下，而不需要更换皮带轮，省去了很多工作量，还可以避免因为更换皮带轮带来的安全风险。通过变频调节可以调到2.5 次、1.5 次，这个是传统抽油机配电柜无法实现的，调到2.5 次和1.5 次以后，抽油机运行速度降低，这样更换盘根次数明显减少，旗20-30、旗20-32、吴93 三个井组盘根以往每个星期换一次，目前15 天，有的甚至30 天换一次。这样既节约了材料费也减少放空原油的产生。

4）利用抽油机倒发电和优化工艺丛式井组日节电146 kWh。

5） 普通异步电动机的功率因数一般为0.76，由于井口电动机的载荷小因而功率因数仅为0.40，电网能量损耗非常巨大。安装新设备后功率因数由0.42 上升至0.99，降低了能耗，节约了资源。

直接经济效益。安装该节能装置后，通过减低电动机频率， 单井日节电32 kWh，每年按350 天计算，单井年累计节电11 200 kWh，。每度电按0.7元计算，则单井年节约费用7 840 元。 单井投入费用1.9 万元，投资回收期2.6 年。

5 结论

丛式井组群控节能控制技术，综合利用工业实时数据与自动化控制技术，实现了低产丛式井组节能降耗的目的，并通过油井生产实时分析优化决策系统，实现了油井参数自动采集（油井载荷参数、出口流量、电动机参数等）、远程传输、远程调参和自动控制功能。 具有非常重要的意义。

1）1 个井场共用1 个直流母线，通过变压器、变频逆变的工作原理，实现不同电动机到发电能量自动聚焦直流母线、二次分配、互馈利用。

2） 采用变频控制可以实现大扭矩低速启动，这样启动输入功率就大大降低，可以采用较小的电动机与之匹配，即解决“大马拉小车”现象。

3）可根据油井的实际供液能力，动态调整抽取速度，最大程度的达到节能目的。

4）对电动机、变速箱、抽油机都避免了过大的机械冲击，大大延长了设备的使用寿命，减少了停产时间，提高了生产效率。

5）功率因数可由原来的0.25～0.5 提高到0.9 以上，降低了线损，减轻了电网及变压器的负担，挖掘出大量的电网“扩容”潜力。

6）基于油田数字化管理平台，实现井组节能装置的相关参数自动采集（油井载荷参数、出口流量、电动机参数等）、远程传输、远程调参和自动控制功能。