井組節(jié)能錯峰控制柜設(shè)計及應(yīng)用效果分析

韓民強(qiáng)，劉 學(xué)，丁建軍

（渤海石油裝備（天津）新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

隨著鉆井、勘探等技術(shù)的不斷提高，水平井、大斜度井已經(jīng)成為當(dāng)今油氣田開采的主要趨勢，隨之而來的是大井組平臺的出現(xiàn)。這些平臺往往矗立著幾臺、十幾臺，甚至幾十臺抽油機(jī)，控制系統(tǒng)大多采用變頻控制。一臺抽油機(jī)一般需要十幾到幾十千瓦的電機(jī)提供動力，一個平臺就需要上百千瓦甚至幾百千瓦的電源供電。在我國一些偏遠(yuǎn)的油氣田建立在沙漠、戈壁灘等人煙稀少，電網(wǎng)不能覆蓋的區(qū)域，需要燃?xì)狻⑷加桶l(fā)電機(jī)進(jìn)行供電。近些年又出現(xiàn)了光能、風(fēng)能等輔助發(fā)電設(shè)備。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，抽油機(jī)在正常運(yùn)行期間，所需平均電流只有電機(jī)額定電流的1/4～1/3，甚至更低，而電機(jī)的啟動電流一般都較大，為額定電流的2～3 倍。并且抽油機(jī)每個沖程周期內(nèi)，電機(jī)電流是時刻變化的，其中最大電流發(fā)生在上沖程期間。當(dāng)一個井組的所有抽油機(jī)都運(yùn)行到最大功率或處于開機(jī)狀態(tài)時，平臺的發(fā)電設(shè)備將達(dá)到供電峰值，這個峰值決定了這個平臺發(fā)電設(shè)備的等級。然而在正常運(yùn)行時，所需的功率不到發(fā)電機(jī)額定發(fā)電功率的1/2，這造成了極大的選型浪費(fèi)，增加了用戶的投入成本。

同時，在抽油機(jī)運(yùn)行到下沖程期間還會出現(xiàn)反發(fā)電的現(xiàn)象。受井況、抽油機(jī)型號以及抽油機(jī)平衡度等因素的影響，反發(fā)電的程度有所不同。這些反發(fā)電能量如果回饋到電網(wǎng)，會對電網(wǎng)造成“污染”。為了消除電網(wǎng)“污染”，常規(guī)的做法是在抽油機(jī)變頻柜內(nèi)增加大功率的制動電阻，將反發(fā)電的能量通過制動電阻轉(zhuǎn)化為熱能的形式消耗掉，同時也造成了大量的能源浪費(fèi)。

大井組平臺在發(fā)電設(shè)備的投入上是非常巨大的，給油氣田開發(fā)企業(yè)在生產(chǎn)運(yùn)行中帶來了相當(dāng)大的壓力。為了解決上述兩種浪費(fèi)的難題，本文設(shè)計一種井組節(jié)能錯峰控制柜，并對其應(yīng)用效果進(jìn)行分析總結(jié)。

1 設(shè)計方案

1.1 控制流程設(shè)計

為解決叢式井裝機(jī)容量大、電能浪費(fèi)嚴(yán)重，易出現(xiàn)停機(jī)故障的問題，設(shè)計井組節(jié)能錯峰控制系統(tǒng)。井組節(jié)能錯峰控制系統(tǒng)包括共直流母線技術(shù)及錯峰控制技術(shù)。

（1）變頻器共直流母線技術(shù)：將若干臺抽油機(jī)變頻器的直流母線連接在一起，將電機(jī)的反發(fā)電能量反饋給共直流母線的其他抽油機(jī)變頻器，作為其他電機(jī)的能源，從而達(dá)到降低能耗的目的。電路連接可采用1 個變頻器對應(yīng)1 臺抽油機(jī)的一對一模式，也可采用共用1 套獨(dú)立整流單元總成、制動電阻單元、濾波單元總成，將逆變單元與抽油機(jī)電機(jī)一對一控制連接。由于第二種方法的整流單元總成、濾波單元總成發(fā)生故障后會造成整個井組停機(jī)的嚴(yán)重后果，故在設(shè)計中暫不考慮。本設(shè)計方案采用變頻器與抽油機(jī)電機(jī)的一對一控制模式。

（2）錯峰控制技術(shù)：采用專用的可視化PLC 控制器，對抽油機(jī)控制系統(tǒng)的變頻器頻率進(jìn)行錯峰調(diào)整，讓平臺多臺抽油機(jī)的電機(jī)不能同時達(dá)到功率峰值，降低井場總功率的峰值。功率錯峰控制流程如圖1 所示。可視化PLC 控制器依靠通信線與平臺上的每臺抽油機(jī)變頻器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)時讀取變頻器的電參數(shù)，計算總功率峰值，并判斷是否允許停止的抽油機(jī)進(jìn)行啟動操作。然后計算每臺抽油機(jī)的功率峰值間隔時間，并預(yù)判功率峰值段的重合時間及數(shù)量。每臺抽油機(jī)的功率峰值段及重合數(shù)量可以通過可視化PLC 控制器手動進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)功率峰值段重合數(shù)量達(dá)到設(shè)定值時，開始按照預(yù)先在可視化PLC 控制器上設(shè)定的優(yōu)先級調(diào)整抽油機(jī)變頻器頻率，從而達(dá)到錯開總功率峰值的目的。為了不影響井場總體產(chǎn)量，調(diào)整均為微調(diào)，并具備頻率調(diào)整錯開峰值后恢復(fù)到調(diào)整前頻率的功能。

圖1 功率錯峰控制流程

1.2 控制柜設(shè)計

控制柜的設(shè)計分為主控柜和分控柜?？刂乒癫捎糜蜌馓锿ㄓ玫腁C 380 V，50 Hz 電源進(jìn)線。主控柜里面有可視化PLC 控制器和1 個抽油機(jī)控制單元，可視化PLC 控制器采用1 拖N 的設(shè)計模式，即1 個控制器可以控制井場N 臺抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，本設(shè)計方案中N 最高為9。1 個分控制內(nèi)包括2 個抽油機(jī)控制單元。分控柜可根據(jù)井場抽油機(jī)的數(shù)量進(jìn)行自由拼接。每臺控制柜的兩側(cè)均有6 個固定螺栓，用于兩臺并排柜體之間的緊固連接，位于最外側(cè)一面的螺栓要保留，防止漏雨。根據(jù)井場多雨及風(fēng)沙大的特點(diǎn)，控制柜采用防塵、防雨設(shè)計。每臺控制柜內(nèi)具有獨(dú)立的溫度控制單元，控制溫度可手動設(shè)定。當(dāng)控制柜內(nèi)溫度高于設(shè)定的上限溫度時，散熱風(fēng)機(jī)自動開啟進(jìn)行散熱；當(dāng)控制柜內(nèi)溫度低于設(shè)定的下限溫度時，加熱器自動開啟進(jìn)行加熱，從而保證可視化PLC 控制器、變頻器及其他電器元件處于最佳的工作環(huán)境，延長設(shè)備無故障運(yùn)行時間。

主控柜中主控單元電路如圖2 所示，主要元件包括：①主空開QF0：負(fù)責(zé)整個控制柜（包括主控柜和分控柜）的電源通斷；②浪涌保護(hù)器：把線路中瞬時過電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)；③備用插座：安裝有1 個兩孔、1 個三孔插座，便于設(shè)備維護(hù)；④可視化PLC（觸摸屏控制器）：實(shí)現(xiàn)錯峰控制、參數(shù)設(shè)定、電參數(shù)采集、顯示等功能。

圖2 主控單元電路

控制柜內(nèi)的抽油機(jī)控制單元的控制電路集中在一個獨(dú)立的二層板上，每臺抽油機(jī)都有單獨(dú)的電氣控制部分，互不影響。所有進(jìn)出線均在控制柜后部連接，控制柜前端沒有連線，提高了現(xiàn)場操作的安全性。當(dāng)一臺抽油機(jī)電控部分發(fā)生故障，可直接將對應(yīng)控制單元所在的二層板從控制柜上拔下來，換上一套新的即可，不需要在現(xiàn)場進(jìn)行檢修，快速恢復(fù)井場的正常作業(yè)。由于控制柜柜體較重，絕大部分井場位置比較偏僻，吊車使用不方便，所以控制柜柜體安裝時可以先將控制柜內(nèi)的二層板卸下，柜體安裝完成后再裝上二層板。但要注意，二層板必須輕拿輕放，不能磕碰。

2 應(yīng)用效果分析

試驗井場選擇煤層氣井2 個平臺。A 平臺為在用井場，共有7 臺6 型抽油機(jī)，每臺抽油機(jī)的電機(jī)為18.5 kW，共計129.5 kW。井場照明、伴熱等其他設(shè)備用電共計約20 kW。井場總裝機(jī)功率149.5 kW，井場配備的發(fā)電機(jī)總功率為160 kW。該井場經(jīng)常發(fā)生發(fā)電機(jī)停機(jī)故障，尤其是在有抽油機(jī)檢修停機(jī)后再啟動時和井場其他用電設(shè)備同時工作時，故障發(fā)生的概率更大。經(jīng)了解，該井場抽油機(jī)設(shè)計為15 kW 電機(jī)，后續(xù)由于生產(chǎn)需要，更換為18.5 kW 電機(jī)，但發(fā)電機(jī)組始終未能擴(kuò)容。為解決上述問題，現(xiàn)場安裝了節(jié)能錯峰控制柜進(jìn)行試驗。

試驗前后各自進(jìn)行了大約7 萬秒的總功率監(jiān)測。設(shè)備安裝前，在監(jiān)測數(shù)據(jù)的1 萬秒和7 萬秒附近出現(xiàn)2 次功率峰值，峰值功率達(dá)到正常運(yùn)行功率的125%左右，負(fù)功率（反發(fā)電）現(xiàn)象非常嚴(yán)重，對供電系統(tǒng)沖擊大。改造前井場功率監(jiān)測圖如圖3 所示，橫坐標(biāo)為時間軸，縱坐標(biāo)為功率值。

圖3 改造前井場功率監(jiān)測

控制柜安裝完成后，穩(wěn)定運(yùn)行1 個星期后開始進(jìn)行監(jiān)測（圖4）。生產(chǎn)運(yùn)行時總功率平均值基本一致，功率峰值較平穩(wěn)，未出現(xiàn)突然大幅增加的情況，負(fù)功率偶爾出現(xiàn)，但是相比于改造前有明顯好轉(zhuǎn)。

圖4 改造后井場功率監(jiān)測

B 平臺為新井場，共有5 臺6 型抽油機(jī)，每臺抽油機(jī)的電機(jī)為18.5 kW，共計92.5 kW。井場照明、伴熱等其他設(shè)備用電共計約20 kW。井場總裝機(jī)功率112.5 kW，井場配備的發(fā)電機(jī)總功率為160 kW。安裝后運(yùn)行3 個月，未發(fā)生因功率過載造成的發(fā)電機(jī)停機(jī)故障，生產(chǎn)運(yùn)行時總功率平均值基本一致，功率峰值較平穩(wěn)。經(jīng)數(shù)據(jù)監(jiān)測未出現(xiàn)短時的較大峰值，負(fù)功率情況也相對較少。

3 總結(jié)

通過現(xiàn)場應(yīng)用表明，井組節(jié)能錯峰控制柜在降低井場總功率峰值及減少反發(fā)電情況方面切實(shí)有效，達(dá)到了設(shè)計預(yù)期。該控制技術(shù)為偏遠(yuǎn)地區(qū)油氣田大井組的井場提供了一種降低發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量的可行性方案，降低了用戶在發(fā)電設(shè)備方面的投入。抽油機(jī)反發(fā)電能量的再利用使得用電效率更高，起到了節(jié)能降耗的作用?？刂乒駜?nèi)部結(jié)構(gòu)的獨(dú)特設(shè)計在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了重要的作用，有效減少吊車等輔助設(shè)備、工具的投入，降低工人的勞動強(qiáng)度。但是，從該控制技術(shù)的應(yīng)用效果分析，也存在需要提高的方面：①抽油機(jī)反發(fā)電情況并未完全消除，控制柜內(nèi)還需要配備制動電阻單元消耗掉反發(fā)電能量，需要后續(xù)繼續(xù)優(yōu)化控制程序，提高控制精度；②降低井組總功率峰值的功能雖然初步實(shí)現(xiàn)，但通過后期的控制程序優(yōu)化還可以進(jìn)一步降低總功率峰值。