群控技術在C 油田的應用與認識

江黎黎（大慶油田有限責任公司第七采油廠）

從能量角度觀察，機械采油井地面系統(tǒng)是由供電系統(tǒng)、采油設備和井口裝置組成，其中供電系統(tǒng)主要由變壓器向機采井供電，帶動抽油機進而帶動抽油泵從井下抽汲原油至地面，整個系統(tǒng)屬于“一變一井”系統(tǒng)，即一臺變壓器向一口機械采油井提供能量的系統(tǒng)[1-3]。理論上講，“一變一井”系統(tǒng)具有較大的節(jié)能潛力。為進一步降低舉升能耗，C 油田在機械采油領域的一個平臺的叢式井上試驗了群控技術，該技術的實施為機械采油系統(tǒng)的能源節(jié)約開辟了新的技術途徑。

1 技術組成與原理

1.1 技術組成

群控系統(tǒng)應用于叢式機械采油井平臺，由一臺變壓器、一臺整流裝置、供電線纜、逆變裝置、配電箱、電動機、抽油機、井口及井下桿管泵系統(tǒng)組成，其中機械采油井為多個。變壓器下端為整流裝置，單井配電箱內(nèi)部內(nèi)置逆變裝置，每口井均有一套逆變裝置[4-5]。

1.2 工作原理

群控技術基本工作原理是，變壓器380 V 供電經(jīng)過整流裝置，整流裝置將其變?yōu)橹绷麟?，一般?40 V，該直流電在單井控制柜處，由逆變器再次將其改變?yōu)榻涣麟?80 V，進而向電動機供電，帶動抽油機、抽油桿、抽油泵實現(xiàn)原油舉升[6]。

群控技術是在多抽油機并聯(lián)節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)中，采用單獨的整流裝置為系統(tǒng)提供直流電壓，每個抽油機用逆變器直接接在直流母線上。當系統(tǒng)工作在電動狀態(tài)時，逆變器從直流母線上獲取電能；當系統(tǒng)工作在發(fā)電狀態(tài)時，能量通過直流母線互饋，以達到節(jié)能的目的。整流濾波單元把交流電壓轉換為穩(wěn)定的直流電壓。整流濾波單元的整流部分采用三相不可控整流，濾波部分采用電感電容濾波，以減小電網(wǎng)的電流諧波[7]。逆變終端把電壓穩(wěn)定的直流電源轉化為電壓、頻率可調(diào)的交流電源，以滿足電動機節(jié)能調(diào)速的目的，群控技術原理見圖1。

圖1 群控技術原理Fig.1 Principle of group control technology

2 現(xiàn)場應用情況與效果分析

選取4 口井作為一個平臺，對變壓器容量、單井電參數(shù)控制開展了先導試驗，完成了技術研究與驗證。而后，現(xiàn)場選取一個機械采油井平臺共16口井開展了試驗，并進行各項測試和效果分析。

2.1 變壓器輸出功率耦合

變壓器在重載和空載運行時，其損失相對較大，效率不高，損失率ΔP與負載率β的函數(shù)關系為ΔP=f(β)。一般情況下，變壓器在最佳負載率范圍（負載系數(shù)0.65～0.75）運行時，損失率處于最低水平，經(jīng)濟性和穩(wěn)定性都能得到更好的保障[8]。該技術通過對負載總功率的連續(xù)監(jiān)測（直流輸電電流不變，故采集電壓信號等效于功率信號），繪制出負載總視在功率的變化曲線。雖然每口油井在每一個運行點負載率都在變化，但是在完整的一個周期內(nèi)變化不大，所以其變化具有一定的規(guī)律性。

控制器通過電源電壓采樣信號判斷電源是否出現(xiàn)異常問題的信息，當沒有出現(xiàn)質(zhì)量問題時，輸出開關信號經(jīng)驅動控制切換開關導通，電源給負載正常供電。當電源出現(xiàn)質(zhì)量問題或負載發(fā)生較大變化時，控制切換開關使其盡快切斷，同時控制串聯(lián)的逆變器輸出補償電壓?？刂破骺刂颇孀兤鬏敵錾系难a償大小取決于磁通平衡或電源的伏秒特性的原理。

通過對變壓器輸出功率的有效控制，便可以大幅提高變壓器的性能。由于直流輸電只輸送有功功率，沒有無功損耗，所以可實現(xiàn)一變帶多井：選擇變壓器時，只需要考慮所有油井負載穩(wěn)定運行時的最大有功功率；如果還有其他感性負載，只需適當增加變壓器容量即可。

通過對變壓器輸出有功功率和負載有功功率的耦合控制，可減少變壓器常規(guī)設計容量60%，降低變壓器成本。

2.2 單井電參數(shù)控制

抽油機在上下沖程的負載變化較大，輸出功率的峰值和谷值總是會在某一個特定時間出現(xiàn)。當所有油井都從母線取電時，會造成母線電壓跌落幅度過大出現(xiàn)故障；反之，會造成電壓驟升引起保護。

單井位能控制換流技術通過對母線電壓的連續(xù)監(jiān)測和取樣分析，通過內(nèi)置的芯片繪制出單井功率變化曲線，當發(fā)現(xiàn)母線電壓有降低的趨勢，便自動降低頻率；反之，則適當增大頻率，加快從母線汲取速度。內(nèi)置在逆變單元的雙向續(xù)流模塊，通過對三極管的控制，利用二極管單向導通的特性，可以在抽油機井發(fā)生“倒發(fā)電”時，將不連續(xù)的多頻段的能量，饋入吸收進公共的直流母線內(nèi)，被臨近做功的抽油機井汲取利用，從而實現(xiàn)了“倒發(fā)電”饋能再利用功能[9]。該功能不但解決了“倒發(fā)電”引發(fā)的電壓驟升問題，而且節(jié)約了電能，消除了多次諧波對低壓側電氣設備帶來的安全隱患。單井位能控制換流技術原理見圖2。

圖2 單井位能控制換流技術原理Fig.2 Principle of single well control commutation technology

2.3 規(guī)模試驗

選取C 油田一個平臺上的叢式井（共16 口）開展了規(guī)模試驗。該平臺群控技術應用情況為：2 臺變壓器、2 套整流裝置、16 口機械采油井；將該平臺的16 口井分成兩組，每組8 口井，每組利用一臺變壓器及一套整流裝置，每口機械采油井配備一臺逆變器，逆變器內(nèi)置于該井配電箱內(nèi)。試驗前后開展了各項測試及效果分析。

對改造前的變頻器輸入及輸出端電參數(shù)及變頻器效率進行了測試，抽油機采油平臺改造前后效率對比見表1?？梢钥闯觯脚_井采取“一變一井”方式供電時，變頻器效率普遍不高，平均值為88.93%。改造后，對直流變交流的逆變器效率進行了測試，直流電經(jīng)過逆變器變成交流電的效率保持較高水平，平均可達97.67%。

表1 抽油機采油平臺改造前后效率對比Tab.1 Efficiency comparison before and after the transformation of the oil extraction platform of the pumping unit

對改造前后的變壓器效率進行測試與計算，測算結果顯示，變壓器的數(shù)量雖由原來的16 臺變?yōu)?臺，但其經(jīng)過整流后其效率提高了。總體效率由改造前的97.86%提升至98.71%，提高了0.85%。抽油機采油平臺改造前后變壓器效率對比見表2。

表2 抽油機采油平臺改造前后變壓器效率對比Tab.2 Efficiency comparison of transformer before and after the transformation of the oil extraction platform of the pumping unit

對改造前使用變頻器拖動的抽油機采油系統(tǒng)以及改造后的抽油機采油系統(tǒng)進行測試，并根據(jù)改造前后的測試數(shù)據(jù)，根據(jù)標準SY/T 6422—2016《石油企業(yè)用節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定》，對整個平臺進行單耗和節(jié)能率計算。 計算結果顯示， 改造后，產(chǎn)液單耗由18.24 kWh/t 下降到15.34 kWh/t，總能耗下降了15.91%。

綜合分析群控技術的節(jié)能效果主要有三個方面：一是變壓器數(shù)量大幅減少，總電量的損耗相應減少。變壓器數(shù)量由16 臺減少為2 臺，裝機功率大幅降低， 無功功率由 35.172 kvar 減少到16.182 kvar，無功節(jié)電率達到53.99%；二是該技術采用直流電輸送，直流電較交流電傳輸效率高，總損耗降低。理論研究表明，直流電輸送因電流平穩(wěn)，相同條件下，較交流電損耗少；三是實現(xiàn)了“倒發(fā)電”的電能儲存及二次利用。無法對“倒發(fā)電”過程中的電能變化進行測試驗證，僅能從平臺井的總體能耗進行判斷[10]。

3 結論

1）群控技術用在抽油機井平臺上運行中的平均逆變（直流變交流）效率較高，一臺變壓器控制8 口井其平均逆變效率為97.67%。對于新區(qū)塊新井投產(chǎn)，平臺叢式井可采用群控技術，降低投資，提高投入產(chǎn)出比。

2）群控技術適用于一個采油平臺上多口機械采油井。該試驗中，一臺變壓器可控制8 口井，且變壓器與最遠端井的距離在1 000 m 范圍內(nèi)。一臺變壓器可帶井數(shù)量的上限以及最遠端井距離，需進一步開展試驗進行驗證。

3）共直流母線群控技術具有常規(guī)多功能變頻的調(diào)控方式優(yōu)點，群內(nèi)能量互饋共享和錯峰運行，能減少變壓器容量和線路損耗，可實現(xiàn)提效降耗。