濾波補(bǔ)償節(jié)能裝置在石油鉆井工程中的開發(fā)與應(yīng)用

宋穎 王鳳臣 高志和 許立華

（中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司，天津 300457）

一、引言

電驅(qū)動(dòng)直流鉆機(jī)在石油鉆井行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。但由于直流電機(jī)在工作中需要進(jìn)行交直流變換，會(huì)產(chǎn)生27%以上的諧波分量，諧波會(huì)對(duì)供電系統(tǒng)造成嚴(yán)重污染，并對(duì)鉆井井場(chǎng)用電設(shè)備形成干擾，導(dǎo)致一些精密設(shè)備無法正常工作；同時(shí)“諧波污染”使得電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率因數(shù)保持在0.5左右的低運(yùn)行狀態(tài),大量電流被無功消耗，發(fā)電機(jī)功率不能得以充分利用，造成“出工不出力”現(xiàn)象，能耗居高不下，設(shè)備投入增加，能耗上升。

二、濾波補(bǔ)償裝置使發(fā)電機(jī)“無功耗能”難題迎刃而解

濾波補(bǔ)償顧名思義，“濾波”是指無源濾波器對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波進(jìn)行過濾吸收，以減少注入電網(wǎng)的諧波電流，提高發(fā)電機(jī)的供電質(zhì)量；“補(bǔ)償”則是指諧波治理過程中，能夠提供容性無功，進(jìn)行自動(dòng)功率補(bǔ)償，提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，改變因功率因數(shù)低而造成的高耗能，使設(shè)備一直處于良好的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)這一原理，在直流電動(dòng)鉆機(jī)上，開發(fā)應(yīng)用濾波補(bǔ)償節(jié)能裝置，用來補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率，抑制諧波電流，可減少柴油發(fā)電機(jī)開啟臺(tái)數(shù)，降低柴油消耗量，從源頭控制設(shè)備耗能，其節(jié)能空間很大。

我公司與生產(chǎn)廠家聯(lián)合開發(fā)試用濾波補(bǔ)償節(jié)能裝置，投入生產(chǎn)后，既有效的吸收諧波電流，改善電能質(zhì)量；又能進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，抑制振蕩，解決了生產(chǎn)中發(fā)電機(jī)“無功耗能”的難題。

三、濾波補(bǔ)償裝置基本原理和性能

（一 ）基本原理圖

濾波補(bǔ)償裝置是專門針對(duì)電動(dòng)鉆機(jī)設(shè)計(jì)的，它采用無源濾波補(bǔ)償裝置和TCR相控電抗器組成，無源濾波補(bǔ)償裝置設(shè)置6個(gè)5次濾波支路、2個(gè)7次濾波支路和2個(gè)11次濾波支路，總安裝容量為4500KVAR,基波補(bǔ)償容量為2300KVAR。裝置采用TFC快速無沖擊投切技術(shù)，響應(yīng)時(shí)間為0.01秒—3秒可調(diào)，并且可以實(shí)現(xiàn)無放電間隔重復(fù)快速投入。各支路分別設(shè)置專利生產(chǎn)的微機(jī)保護(hù)裝置，用于可靠的切除濾波器故障，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

（二 ）裝置基本原理圖

（三 ）主要性能

1.諧波治理過程中提供容性無功，進(jìn)行自動(dòng)功率補(bǔ)償，最大限度提高功率因數(shù)，使設(shè)備始終處于良好的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能減排的最佳效果。

2.無源濾波器對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波進(jìn)行吸收，以減少注入發(fā)電機(jī)組的諧波電流，提高發(fā)電機(jī)的安全可靠性。

3.根據(jù)鉆井作業(yè)工況，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)快速投切控制。

4.有效進(jìn)行諧波治理和無功快速跟蹤補(bǔ)償，使得鉆機(jī)負(fù)荷具有直接接入電網(wǎng)的功能。

（四 ）主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)

1.額定電壓：600VAC，50Hz;

2.額定容量：2345kvar；

3.整體功耗：＜3W/kvar;

4.保護(hù)功能：短路保護(hù)，可控硅超溫保護(hù)，電抗器超溫保護(hù)，過壓過流保護(hù)，欠壓保護(hù)，雷擊保護(hù)等；

5.動(dòng)態(tài)響應(yīng)：動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可控硅過零高速投切，投切無沖擊、無震蕩、無過渡過程，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于20 ms；

6.功率因數(shù)：補(bǔ)償值在0.92～1之間；

7.濾波效果：電能質(zhì)量滿足GB/T14549-93的要求；

8.環(huán)境溫度：-300C～+550C；

9.相對(duì)濕度：＜90%（+200C 時(shí)），空調(diào)具有除濕功能。

10.試驗(yàn)達(dá)到效果：

●功率因數(shù)從原來0.5左右，提高到0.92以上；

●補(bǔ)償容量大小，根據(jù)負(fù)荷的變化自動(dòng)投切；

四、探索實(shí)踐濾波補(bǔ)償裝置節(jié)能功效

為了驗(yàn)證無功補(bǔ)償與濾波裝置在提高鉆機(jī)電氣系統(tǒng)功率因數(shù)，抑制系統(tǒng)諧波和降低柴油發(fā)電機(jī)組能耗三個(gè)方面的有效性能，我們?cè)谝徊?000米直流電動(dòng)鉆機(jī)上試用了濾波補(bǔ)償節(jié)能裝置，分時(shí)段進(jìn)行了手動(dòng)投切對(duì)比試驗(yàn)。監(jiān)測(cè)記錄投用前后，濾波補(bǔ)償裝置對(duì)鉆機(jī)電氣系統(tǒng)的電壓、電流、諧波電壓、諧波電流、功率、功率因數(shù)等電量參數(shù)和柴油發(fā)電機(jī)耗油情況，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析（見表一）。

表一 2009年使用濾波補(bǔ)償裝置分時(shí)段測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比表

測(cè)試結(jié)果：無功補(bǔ)償與諧波抑制系統(tǒng)進(jìn)行投切前后對(duì)比，其節(jié)能率平均提高16.24%，與未投切前對(duì)比，萬度電耗油下降0.55方，降幅16.42%。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出，在濾波補(bǔ)償工作時(shí)，外界沒有直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),濾波補(bǔ)償自動(dòng)切除，此時(shí)供電系統(tǒng)的功率因數(shù)不會(huì)提高；當(dāng)直流電機(jī)運(yùn)行或直流電機(jī)負(fù)荷比較大時(shí)，濾波補(bǔ)償裝置自動(dòng)投入，迅速將供電系統(tǒng)的功率因數(shù)提高到0.99，這時(shí)柴油消耗量減少明顯。濾波補(bǔ)償裝置投入時(shí)間越長，節(jié)油效果越明顯，如“雙泵鉆進(jìn)或雙泵大排量循環(huán)”數(shù)據(jù)顯示節(jié)能效果非常明顯，節(jié)能率在9.92%~27.29%之間，平均節(jié)能率16.24%；反之越低。如表中：起下鉆、下套管和候凝數(shù)據(jù)顯示，外界直流電機(jī)負(fù)荷非常輕時(shí)，濾波補(bǔ)償器一天自動(dòng)投入時(shí)間很少或不自動(dòng)投入，也就沒有明顯的節(jié)能效果（見表二）。

表二 無功補(bǔ)償與諧波抑制系統(tǒng)投切前后，發(fā)電機(jī)組總輸出值對(duì)比表