抽油机电机无功补偿技术的研究

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摘 要：在油田开采过程中，抽油机电机占据消耗资源的主要部分，减少采油区抽油机的电量消耗对于减少电网的电能损耗，提高抽油机采油效益，减少开采成本具有重大意义。文章通过对油田抽油机电机实际运行数据的分析，得到了其运行中的负载特性和功率因数变化曲线，并对数据变化和实际采油区无功补偿实例进行分析，给出了降低无功功率、提高功率因数和采油效益的技术方案。

关键词：抽油机；功率因数；无功补偿；SVG

中图分类号：TE327 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）04-00-03

0 引 言

目前在采油区，抽油机是机械设备工作消耗资源的主要部分，其耗电量约占油区总供电量的30%，这是采油投资成本相对较高的主体因素。由于抽油机在工作中，其负荷是抽油机冲程变化的连续性负载，其实际运行状态研究表明在这种连续性变化负载下配电网系统的功率因数较低，线路损耗也较大，每次采油中都需要消耗大量资源。因此，在实际采油中如何降低抽油机系统运行无功功率，减少电机损耗，促进油田节能系统控制，对油田开采项目发展有重大意义。

1 抽油机电机负载特性研究

在油田开采过程中，抽油机运行是以电机转动为动力，通过电机转动来带动皮带和减速箱运行以及抽油杆做往复运动。在油田开采中根据实际情况，为每一台抽油机匹配不同容量的电机。油区电机负载与其他负载有所不同，采油区电机是以抽油机运行的连续性变化负载[1]。在抽油机运行的一个周期中，不同时刻对应的负载是不断变化的，这种类型的负载在油田机械设备工作中很常见。在整个设备运行过程中，抽油机工作状态有上冲程与下冲程之分，在上冲程状态，电机拖动负载大，输出功率大；在下冲程状态，电机带动负载小，相对输出功率小[2]。为了使抽油机上冲程与下冲程工作状态趋于平衡，采油区一般都在油机上装有平衡块，这样抽油机在启动时就需要较大转矩，以此带来的结果是，在电机开始启动时有新的要求，需要电机从停止状态起动时有较高的转矩[3]。

在实际应用中，油区的抽油机电机一般为三相异步电动机，电动机上电后，从停止状态开始转动时转矩如果过大启动就会很困难，为了解决此问题，提出的方案是增大抽油机配备电机容量，这样电机启动转矩就会随电机容量的增大而提高[4]。但在运行中又会出现“大马拉小车”的新问题，由于电机运行周期中长时间处在低负荷状态下，此时电机的负载率低，使其功率因数和工作效率也降低。从而导致采油区投资增大与设备运行效率降低，进而造成线路上电能的浪费[5]。这种现象在采油区比较常见，所以要找出相关方案来减小更多不必要的能源浪费。

2 抽油机电机的运行状态分析

根据抽油机运行中负荷特点的理论分析，可得出抽油电机的大概工作状态。抽油电机在运行状态中大概有两种模式：

（1）当拖动负载转动时电机运行状态为电动机工作模式，直接从电网中获取所需的有功和无功功率；

（2）在运行中负载反带动电机转动，为电机的发电机工作状态，在此状态下电机运行只需无功功率，是从电网中获取的，并且还向其提供有功功率[6]。

从电机工作状态中可以看出，不管电机处于哪种工作模式，运行中所需的无功功率都要从电网中获取。当电机反转运行开始为发电机工作模式时，电机需从电网中获取无功来供内部励磁，此时获取的无功即为电机运行时的空载功率， 空载功率的大小与电机在工厂中设计、制作、选材等有关；但同时也反向电网输送电能[7]。当电机拖动负载转动为电动机状态时，无功功率大小与负载量直接相关。

根据以上分析， 做出抽油机电机运行的近似曲线图。图1所示为抽油机电机负载转矩曲线 ，其中M（i）为减速箱输出轴上的转矩，i为输出轴转的角度；图2所示为电机功率曲线，其中P2（i）为电机有功功率，Q2（i）为电机无功功率，S2（i）为电机视在功率。

3 抽油机动态无功补偿研究

目前，电网在输送电中对线路无功补偿方式主要有以下两种 ：

（1）在配电变压器低压侧进行集中补偿，补偿容量大小随其功率因数高低而实时改变，在实际输电中常用此方法。在采油区，集中补偿是同时对多台抽油机进行补偿， 以此提高油区配电系统的功率因数及提升采油效益。但在实际采油中每台抽油机的运行状况可能不一样，在抽油机运行的一个周期内负载变化范围较大，集中补偿方式到单台抽油机可能不会得到有效的补偿。

（2）在抽油机电机旁进行直接补偿[8]。此方法是对每台抽油机电机直接进行快速补偿，这样分散补偿单台抽油机电机比集中补偿所带来的采油效益要好。

根据以上理论分析与采油区的实际情况，提出用SVG装置来对抽油机运行中进行无功补偿的方案。

在电网输送电过程中，静止无功发生器是电网输送电量中节能的主要装置之一。与其他补偿设备相比较，SVG 装置没有采取传统意义上的投切电容器来进行无功功率补偿，SVG装置利用电力电子器件组成自换相桥式电路，连接电抗器与电网并联，通过实时调节电路交流侧输出电压的幅值和相位，使电路吸收或者发出满足线路要求的无功电流，而且适当减少对于补偿电流产生的谐波采取多重化、多电子等措施，这样在电网输送电过程中可以使补偿效果更好 [9]。

在采油区配电网系统采用SVG无功补偿技术方案，SVG装置通过实时采集配电网与抽油机电机工作中的电流信号与经过装置线路中的电流及电压信号，再用理论算法计算出线路中有功与无功功率参数，经过实时调节来控制IGBT开关通断，使其输出电流幅值和相位与配电网电压相位相同，达到配电网系统所要的补偿效果，使油区配电网运行功率因数提升[10]。经过实际对油田的考察并记录数据，以及对数据的分析，对电路进行理论上的仿真，判断SVG是否满足负载连续变化是可以得到补偿的要求。

4 系统仿真

为了证实此方法的可行性，证明SVG可以对连续性变化负载达到补偿效果，仿真电路中选用三相异步电动机的额定功率为15 kW，额定电压为400 V，频率为50 Hz。在电路开始运行时，电机接入转矩，转矩变化趋势如图1所示，电机开始启动时有很大的启动电流，在0.2 s左右达到稳定，从功率与功率因数曲线图开始的波动可以看出。图8、图9、图11、图12所示为电机转动两个周期所得，其中，图8所示为未补偿前无功（蓝）与有功（黑）图，图9所示为未补偿前功率因数，图11所示为补偿后的无功（蓝）与有功（黑）图，图12所示为补偿后的功率因数。以7 s为一个周期，其中0 s至4 s，6 s至7 s为电机正转矩运行即电动机模式，4 s至6 s是转矩为负转矩运行即发电机模式；可以看出随电机输入连续性变化转矩时SVG补偿的效果及功率因数的前后变化，补偿后电路功率因数接近于1，说明电路中无功得到充分补偿，此仿真是可行的。由上图可以得出结论：当负载连续变动时，SVG可随时根据其变动而动作以实时补偿线路中的无功功率。

5 结 语

通过对抽油机电机运行中拖动负载变化与电机工作状态的分析，以及在油田实地观察记录，采集了一系列数据，结合专业理论得到了设备运行的大概曲线走势，为补偿设备的选取提供了可靠的理论分析，也为以后改进补偿设备奠定了基础。

在油田实际开采过程中，油田配电系统是一个复杂的电网系统，直接连接多个抽油机同时运行，线路分布较广，在实际工作中存在很多棘手的问题，需要根据设备的实时数据变化作出合理判断并采取措施来解决实际问题。例如根据抽油机电机实际运行选取合适的SVG装置以符合配电系统的变化扰动以及系统设计的参数变化；如何在实际中控制SVG装置与抽油机电机的协调配合；如何在理论上使SVG控制方法与实际配电网系统相结合达到补偿的目的等；在实际开采中处理好这些问题，就可以提升采油效益，减少不必要的资源浪费。

参考文献

[1]丁毓山，徐义斌.电网无功补偿实用技术[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

[2]范路，李炜，刘泱.浅析抽油机无功就地补偿的现状[J].科技视界，2014（7）：278，324.

[3]杨柳，刘兴岭，任春祥，等.抽油机节能的有效手段[J].石油石化节能，2009，30（2）：15-18.

[4]孙东.抽油机变频器电参数测试技术[J].油气田地面工程，2011，30（1）：21-23.

[5]王大志.电力系统无功补偿原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2013.

[6]李春华，赵杰，邓孝祥，等.抽油机节能控制柜的研制[J].机电一体化，2013（2）：75-77.

[7]牛轶男，冯婷，汪扬，等.电力系统无功补偿技术发展现状[J].信息通信，2011（1）：48-51.

[8]姜玖志.抽油机拖动装置电控一体化设计[D].大庆：东北石油大学，2013.

[9]吕晶，李宗芳，褚万泉，等.抽油机节能方法与变频技术合理应用研究[J].中国石油和化工标准与质量，2014（10）：57-58.

[10]施群，皆淑伟，康忠健，等.含风电抽油机的油田配电网区域无功优化技术研究[J].电气应用，2011（15）：21-23.