油田供用电系统节电技术途径分析.doc

油田供用电系统节电技术途径分析出处：大港油田公司作者：夏艳铎摘要 油田既是能源生产企业，同时也是能源消耗大户，原油的提升、处理、掺水、脱水、注水都需要消耗电力来完成。本文从油田配电线路的优化运行、经济电流密度、变压器的经济运行、新型变压器的技术分析、泵类设备调速方式、新型永磁同步电动机、异步电动机的节电运行、无功补偿等方面进行分析总结，阐述油田电能传送各环节中电耗的特点和减少损耗的技术手段，为油田的节电降耗工作提供参考。 关键字 潮流分布计算，最佳无功补偿，经济电流密度，变压器的经济运行，电动机经济运行，同步电机，无功补偿，油井间开控制柜 第一部分 配电网潮流计算和配电网最佳无功补偿 配电线路在电网中起到把电能配送到用户的作用,在配电线路输送的电能中网损占了相当大比重,约占总输送电量的10%,象油田这样的电网6KV线路损失在7%-15%之间,电网结构的不合理和无功损耗在配电线路中造成的损失最大,这样就存在电网结构的调整和无功补偿的问题，电力系统实行功率因数补偿的手段是串联调相机和并联静态补偿电容两种，用以就地补偿设备所需建立磁场的无功功率，避免无功的长距离输送，增加发电机的出力，减小网损。在企业一般用并联电容的方式，低压系统目前已经可以实现根据功率因数自动投切电容，高压系统（6-10KV）虽有自动投切的技术和设备，但从应用上看还不太成熟并且一次性投入太大。所以目前在野外高压线路一般还是采用安装固定电容的方式进行补偿。由于抽油机的运行特性，如果全补偿就存在过励磁问题，使得完全在低压进行就地补偿不可行；另外，由于油田生产的井下情况变化引起抽油机和变压器频繁调动，输电网的潮流计算方法不适用配电网的计算。总之，在合适的位置加装适当容量的高压电容、配电网损计算、变压器调整以及电网改造方案就需要进行专门研究和计算。 一、配电网的精确数学模型由于配电网结线复杂，变化性大，因此长期以来，在配电网的潮流分布和网损计算时，多采用经过简化的等值模型，如等值电阻模型、概率统计模型、等值阻抗模型等，根据资料的查询和总结：西安石油学院姜衍智教授的配电网精确数学模型，适合对油田配电网的负荷经常变动，新井投产、老井停抽等线路进行计算。 二、配网潮流分布计算当建立了配电网数学模型（关联矩阵E）并输入了有关原始数据后，即可进行配电网的潮流计算。根据能源部颁发的电力网电能损耗计算导则，计算可做如下假设：1、各负荷结点的负荷曲线与首端相同。2、各负荷结点的功率因数与首端相同。3、忽略沿线电压损失对功率损耗的影响。在此基础上按下列公式进行计算，即可得出配电网的潮流计算结果。 三、配电线路的最佳无功补偿一般抽油机开关箱内装有低压静态电容补偿器，但由于机械的特性，为防止自励磁，不能进行全补偿，这样为提高变电所出口功率因数，必然要在线路上安装一定容量的高压电容补偿，另外也要考虑安装维护工作量和补偿的经济性问题，油田配电网根据分支情况和线路长短装设3个点左右，出口功率因数达到0.95是合理的。配电网优化计算的过程如下：1、统计线路上配电变压器下口负荷，包括有功负荷和无功负荷进行原始电网的潮流计算。2、选择补偿位置。3、确定需补偿的总容量。4、根据网损等微增率准则确定具体各补偿点的容量。5、再以总补偿容量为约束条件，即可求得各点的补偿容量。以下为对油田18条配电线路改造前后线路运行的实际统计数据和效果：1、油田配电网高压补偿技术对于减少线损具有明显作用，同时为避免力率罚款也是最直接的技术措施。2、由于油田配电线路上的负荷变动频繁，应根据负载变化按照网损最小的原则定期进行线路上高压集中补偿容量的调整。 第二部分 新型经济变压器和变压器的经济运行变压器在变压和传递电功率过程中，其自身要产生有功损失和无功功率消耗。我油田公司的变压器绝大多数为35KV、6KV降压变压器，目前共有变压器1862台，其中SJ型149台，S7型1140台，S9型527台，有相当多的变压器属于6、70年代生产的高耗能变压器，选择高效节能产品，不但对节约能源具有重要意义，同时还可以大大降低变压器的运营成本，提高整个电力系统的效率。 一、油田使用变压器的技术分类按变压器技术参数水平进行分析，可分为四代产品。第一代变压器称为热轧硅钢片变压器，是五、六十年代生产的以仿苏为主的老产品，按照JB50064部颁标准生产，损耗高、效率低、性能差。相应的产品有： SJ型、SJ1型、SJ2型、SJ3型、SJ4型、SJL型、SJL1型等，这些产品的铁心材料都是热轧硅钢片，其性能参数都是落后的。第二代变压器称为冷轧硅钢片变压器，其基础标准是GB109471和GB109479及性能标准JB1300130173合起来构成中小型电力变压器产品的中期标准，又称73标准。相应的产品有:S型、S1型、S2型、S5型、SL型、SL1型、SL3型等；第三代变压器产品是八十年代中期出现的低损耗节能型变压器，基础标准是GB1094.1585、性能标准是GB6451.185三相油浸电力变压器基本技术参数和要求。相应的产品有：SL7型、S7型、S8型、S9型等。 非晶态变压器第四代产品是近年来（九十年代末期）才出现的非晶态变压器。非晶态变压器当今在我国处于起步阶段。非晶态变压器产品出现是变压器技术进步第三次飞跃。 二、目前变压器的先进产品以前几乎所有变压器包括目前通用的S9型变压器的铁心都是采用的硅钢片叠积而成，先将硅钢片卷料，再横（斜）剪成成一定长度的条料，做铁扼的条料还需冲剪缺口。先进一步的采用几级不同宽度、一定厚度的硅钢片，跌积成多级阶梯形截面的铁心，其横截面系数为0.9左右。尽管阶梯级数越多，其截面面积越接近圆型，但级数越多，工艺就越复杂，加工、叠积就越困难，因此级数不可能太多。这种传统形式的铁心结构每相磁路中都有多个气隙，铁心也不容易加紧，从而造成了变压器的空载损耗较高、空载电流较大、运行时声级较高等缺点。为了克服上述铁心的缺点，有少数生产厂家采用分级卷绕式不切割阶梯型截面卷铁心，并进行退火处理，虽然技术指标上有所提高，但其截面系数仍为0.9左右，既浪费电磁线，又使其负载损耗较大，性能较差。随着现代技术的发展，特别是利用计算机数控技术，已经可以将带料经过计算机控制的曲线滚剪机加工，将其裁剪成宽度连续变化的线性钢带，再卷制成封闭型铁心，其截面形状近似为纯圆型。用这种铁心制成R型铁心配电变压器，具有叠片式铁心变压器无法比拟的优良性能，目前国内已经有部分厂家开始生产S（R）11型变压器，其技术特点：1、空载损失低，空载电流小R型铁心的硅钢片无对接缝，经过卷制后退火处理，能彻底消除内应力，磁路各框紧密相连，磁通分布与轭、柱等截面的叠片式铁心相同，心柱与铁轭联结处也是圆角，磁路合理，可充分发挥高导磁冷轧硅钢片的导磁特点，故空载损耗与空载电流均比叠片式铁心大幅度下降。根据国家权威部门资料数据，比S9型配电变压器空载损耗下降20-35%，空载电流下降70-85%。2、无功损失小R型铁心没有接缝，磁通分布合理，励磁电流大幅度下降，大大降低了励磁功率中的无功分量，从而降低了电网的无功损失，有利于电网供电质量的改善。3、声级小传统叠片式铁心加紧处是最小级铁心，所以力的传递不可能很均匀，夹紧不当会造成接缝伸大或级边缘总厚增加，使声级上升。而R型铁心采用专用设备连续绕制而成，保证了铁心紧实为一个整体，不需要横向夹紧，使铁心的电磁性能得到进一步发挥，与叠装铁心对比声级降低1-10 dB。鉴于以上优点，国家电力公司已发文推广使用。 三、S11型与油田使用中的几种型号变压器技术经济对比（参见下表）。根据变压器技术参数进行了计算和经济对比，以下是计算结果：注：计算公式取综合功率计算公式，无功经济当量=0.1,电费=0.5元，价格是根据多个厂家的询价均值 四、变压器的经济运行变压器的损失由空载损失P0和短路损失PK构成，又称为铁损和铜损，另外要考虑空载无功损失Q0和额定无功消耗QK，由于变压器间技术参数存在着差异，以及变压器的有功损失和无功损失随负载发生非线性变化的特性决定了变压器存在着经济运行的潜力。以下是变压器功率损失和效率的负载特性曲线示意图。所以要克服两个错误认识：凡是用一台变压器能带的不用两台，认为这样做可以减少一台变压器的损耗；凡是小容量变压器能承担的不用大变压器运行，认为这样可以减少变压器的损失率。确定变压器大马拉小车仅根据容量的利用率，（认为小于50%），其实随着新型节能变压器的发展，其经济负载率越来越低，S11节能变压器的效率最高时负载率仅为35%左右。由于变压器的容量、铁芯材质、制造工艺的不同，变压器的四个技术参数也有较大的差异。既使规格相同、材质相同、又是同一设计同一生产厂家的产品，其技术参数也会存在着一定的差异，由不同台数变压器组合的运行方式间的组合技术参数也就存在着差异。所以变压器经济运行就是选择参数好的变压器和最佳组合参数变压器的运行方式运行，在确保变压器安全运行及满足供电量和保证供电质量的基础上，充分利用现有设备；通过择优选取变压器最佳运行方式、负载调整的优化；变压器运行位置最佳组合以及改善变压器运行条件等技术措施，从而最大限度地降低变压器的电能损失和提高其电源侧的功率因数。具体到油田的实际生产特点，可大体按照以下几方面进行节电运行： 1、有备用变压器的变电所，应选择技术特性优的运行；2、相同台数并列运行的变压器，应选择最佳组合运行方式；3、变压器分列运行与并列运行的选择经济运行方式。4、负载波动大、单台运行的变压器就增设小容量变压器小负载时运行；5、削峰填谷与降低损耗； 6、分列运行变压器间的负载经济分配；7、变压器无功补偿的节电降耗；8、调整变压器运行位置实现经济运行 同时在变压器的储备和调配使用上遵循 (1)长期运行变压器技术特性优，短期运行变压器技术特性良，备用和特殊贮备(闲置)变压器技术特性劣；(2)电网远处末端运行变压器技术特性优，电网中心(近处)运行变压器技术特性良；(3)大负载运行变压器技术特性优，小负载运行变压器运行特性良； 五、小结根据以上的数据分析计算，可得到以下结论：1、在油田新建产能变压器时初投资采购新型S11型变压器，虽然比S9系列初投资略高，但多投资的部分可在2年内收回，使用变压器总拥有费用(TOC)计算方法，也得出同样的结论。（总拥有费用(TOC)计算方法，就是计算变压器的初始投资和其在使用期内的损耗费用之和。总拥有费用法通过比较具有不同效率水平和不同价格的变压器的总拥有费用，按照总拥有费用最低来选择变压器效率水平）。2、应集中部分投资，对油田在用的SJ型变压器更换成S11型变压器，投资可在2年左右时间内收回。3、在用的S7和S9型变压器要按照效率最高、损耗最小、功率因数最高的原则进行变压器经济运行计算和调整。 第三部分 电动机的效率分析及其节电途径电动机是油田最主要也是最终端用电设备，是提高整个电力系统的效率的最大潜力点。为了提高效率，必须降低电动机内部损耗，电动机的损耗有五部分组成：（1）定子绕组的损耗，与负载电流、励磁电流及导线的电阻有关。（2）转子绕组的损耗，与转子电流及转子笼条的电阻有关（3）铁损：由磁滞损耗和涡流损耗引起，与铁心材料、生产工艺、电压和电源频率有关。（4）机械损耗：主要是轴承的摩擦损耗和冷却风扇的消耗。（5）附加损耗：由基频杂散损耗与高频杂散损耗两部分构成。主要降低电动机各部分的损耗、提高效率的措施如：优化设计、增加用材、改进工艺等措施主要由生产厂家来完成。用户只能通过电机的经济运行来达到节电的目的。三相异步电动机的主要性能指标均是指满负载运行时的值，效率也是满载运行时的效率。对于电动机运行在满负载时其效率最佳。但油田的绝大多数电机都不是处于满负载运行，特别是采油用电机负载率很低，而且经常处于变化，在此情况下，电机的运行效率和功率因数一般都很低，耗能严重，一般解决这种负载变化的经济运行的有效措施是采用异步电动机节电器、星角变换和调速运行。 一、降压运行启动柜 最初叫功率因数控制器、异步电机节电器，现在国内多叫做降压运行启动柜，最初的用意是提高功率因数，结果发现它还能降低损耗，提高效率，所以现在越来越多地应用于节电领域。原理：一般情况下，异步电动机运行时，线路全部电压全部施加于定子绕组上，不论负载如何变化，这个外施电压总是基本不变的。这样一来，就决定了异步电动机的励磁电流也总是基本不变的。而电动机的电流由励磁电流和转距电流两部分组成。转矩电流与电压同相位，其功率因数等于1，而励磁电流几乎为纯电感性负载，功率因数接近0。从空载到满载，由于电压基本不变，所以励磁电流分量基本不变，铁损也基本不变，并一直为最大值，对于小型异步电动机，在额定电压下的励磁电流一般为额定电流的30-60%。约等于空载电流，这个电流在电机绕组内内部造成定子铜损，消耗了电力。所以，如果当电动机空载或轻载时，如果能自动降低电压运行（维持转速基本不变），则铁损会减少电网的功率因数亦提高。异步电动机节电器的控制原理，就是以定子电压和电流间的相叫角为控制量，去触发串接在电动机线上的双向可控硅或（自藕变压器的档位），使施加于电动机的电压和电流的相角基本保持不变，自动调整电动机的输入电压。 二、异步电动机的星角变换 角接线的异步电动机，空载或轻载时，由角型接线到星形接线的变化可以达到节电的目的。电动机的相电压只有原有的 ，这时的铁损只是原来铁损的（ ） ，即星型接线的铁损只有角型接线的三分之一，而电动机的空载铜耗只是原来的四分之一。因此电动机空载时，角型接线节约的有功功率 星型带负载后，有功功率的节约随负载的增加而减少，当负载增至某一临界值时，电动机角接线方式和星接线方式的损耗相等，效率相同。此时负载率叫临界负载率K 式中： 为空载时角形变为星型节约的有功功率。为电机角接时的总损耗。为角接时的空载损耗。 三、电动机的调速经济运行在油田有不少拖动输油泵、注水泵等需要控制流量的电动机，流量的变化是通过阀门、挡板等节流装置来实现的，这种控制方式把大量的能量消耗于节流装置上，仅靠提高电动机的效率无法大量节电。这种类型系统节电的基本方法有三大要素：（1）减少不必要的流量；（2）减少管路的阻力；（3）用高效的方法控制流量。可变流量的控制方法有很多种，下面是目前在各行业生产中流量控制方法：（1）问歇运转：在不需供液时停止运转，适用于中小容量的油、水泵。（2）并联台数控制，可使流量呈阶梯变化，适用于各泵的截断扬程相近且全扬程变化小的场合。（3）串联台数控制：适用于流量不变，而全扬程变化范围较大的场合，例如长距离管路加压油、水泵等。（4）翼角控制：这种控制对轴流泵或斜流泵在很宽的范围内能以高效率运行，对于流量变化有较好的适应性。（5）调速控制：在恒功率负荷下，消耗的电力与转速成正比，在恒转矩负荷下，消耗的功率与转速的三次方成正比。这样通过调节泵的转速就可以降低功率消耗。虽初投资高些，但运行中的电费可以大量减少，在低流量时，泵不做无用的运转，适用于大流量油、水泵、扬程变动范围较大的场合。调速是通过控制电机的转速来实现的，三相异步电动机的调速方法常用的有下列几种：（1）转子回路串电阻控制（绕线式异步机）；（2）转子斩波调速控制（绕线式异步机）；（3）液力偶合器控制；（4）流体滑差离合器控制；（5）电磁滑差电机控制；（6）涡流制动器（感应制动器）控制；（7）调压控制；（8）串级调速控制（绕线式异步机）；（9）调压变频（VVVF）控制；（10）无换向器电机控制（同步电动机）；（11）变极对数控制。从不同控制方式的电力消耗特性分析可以看出，在输出同样流量的情况下，变极对数、串级调速和变频控制的电力消耗最小，转子回路串电阻和液力偶合器控制方式的电力消耗较大，用调出口阀门的方法调节流量的方法电力消耗是最大的。由于油田特殊的工况和现场条件且生产用电机多为鼠笼电机，所以以上调速方法有一些不适用于油田生产的实际，只有调压调速、电磁转差调速、和变频调速技术适用，电磁转差调速由于效率低，所以逐渐淘汰。调压调速的调速范围较窄，所以在油田用的不多。 变频调速节电的原理就是改变电源频率则能调节异步电动机的转速。变频器调速控制异步电动机的变频调速是通过改变定子的供电电源频率来改变旋转磁场的同步转速，从而改变转子的转速的。它同改变电动机转子的转差率来调速有着本质上的不同。它没有改变转差率时所产主的损耗，是一种比较理想的变速方态。 变频调速系统的分类：变频调速系统的种类很多，主要有交一直一交间接变频和交一交直接变频两大类（交-交变频在油田应用前景不大，所以不在总结）。交一直一交变频器按照它中间储能滤波回路采用的是电抗器或者电容器而分为电流型、电压型和脉宽调制型三种。电流型变频器的效率最高，功率因数最低。脉宽调制型是电压型的一种，它的功率因数最高，效率最差。电压型的功率因数和效率则介于两者之间。交一直一交型变频器可以连续地改变频率以及电动机的转速，输出的机械特性较硬，可以输给同步电动机或者异步电动机构成交流变速系统，适合于单台机或多台机群的无级调速，可以应用于油田输油泵、注水泵的调速运行，变频调速在油田已经得到广泛推广并被认可。 总起来讲，变频调速系统在油田应用具有许多优点：（1）操作方便，一台变频调速器可控制数台机泵，实现注水自动控制。减轻工人劳动强度，提高安全性。（2）节约电能。调节效率高，接近于理想的调节和变速。（3）减少机泵磨损，提高机泵的运行效率和使用寿命。（4）具有在关闭回流状态下电动机的软启动和自动保护功能。 四、同步电机 当前油田电能消耗浪费严重的一个重要原因是电动机配置不合理，即普遍存在着大马拉小车现象，而一般异步电动机在低于50负载时效率和功率因数急剧下降。永磁同步电机与感应电机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数（可以达到1、甚至容性），减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇（小容量电机甚至可以去掉风扇）和相应的风摩损耗，从而使其效率比同规格电动机提高2-8%。而且永磁同步电动机在25%-120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节电效果更为显著，而且启动转距较异步电动机大，额定功率可以比异步电动机降低一个等级。最为适应于油田采油系统启动转距要求大、运行负荷小、负荷波动。完全可以解决目前采油系统存在的大马拉小车、效率低、功率因数低等问题。 五、小结 电机节能是涉及设计、制造、用户、各种工作制度以及运行管理等多方面的综合性技术，综合起来主要是以下几项：1、用高效电机取代高耗能电机。2、采用降压运行和星-角转换等技术措施进行电动机的经济运行。3、实行电机调速。适用于需要进行流量调节和速度调节的工况。4、对老式异步电动机进行节能改造。5、发展永磁电机，在采油系统等不需要调速的场合，永磁电机的节能效果相当可观。6、合理选择电动机。按需要的容量配备和调整电机，是提高效率减少损失最基本的措施。 第四部分 无功补偿技术的应用 在油田的用电设备当中，异步电动机是绝大多数负荷，而且是感性负荷，除要求电网供给有功功率外，还需要供给无功功率建立旋转磁场，其功率因数总是小于1。由于无功功率的存在，增加了电网的视在功率，降低了电网的功率因数，一般油井生产的功率因数在0.2-0.4之间，最小的不到0.1,最多不会超过0.5。所以线路的运行电流的增加造成了大量的网损。经过统计油田大多数的抽油机未进行无功就地补偿，其中南部地区基本上没进行补偿。降低无功电流的技术手段对油田生产适用的是并联补偿电容，可以提高线路的功率因数。因为电动机的端电压未改变，不影响电动机的正常工作，而且电容器的本身消耗功率很小，可以忽略不计。 一、无功补偿的效果3、可以充分利用电源设备的容量 由于由于功率因数的提高使电流的下降，使负载的视在功率下降，则变压器等电源设备就可以为其他负载提供更多的富裕容量，使电源设备能得到更充分的利用，并且变压器本身的损耗也可降低。 由此可见，提高功率因数对减少损耗、提高效率具有十分重要的意义 二、油田抽油机补偿容量的计算和近似计算 为使功率因数从COS 提高到COS ，在电动机并联多大的电容才合适呢？通过计算和推导： 由于实际工作中，需补偿的电容不仅和功率因数有关，也和极对数有关，为了便于工作，可根据抽油机电机容量和极数按下表选择接近的补偿容量：极数 2 4 6 8 10补偿系数 0.21 0.25 0.275 0.35 0.45 四、小结应大力推广电容就地补偿，对油田公司所有用电设备进行无功分散补偿测试、电容安装和安装后的复测工作，并把功率因数考核列入日常管理范围。 第五部分 抽油机自动间开控制器 一般而言，由于油田进入开发后期，地层供液严重不足，使得抽油机均普遍存在抽取能力大于油井实际负荷的问题。 因此，泵空或空捞现象便相伴而生。泵空增加无效行程，浪费大量电能，同时也使抽油设备的维护费用提高。那么，通过采用微电脑控制技术，科学调整抽油机的运行模式，变固定不变的机械运行为动态响应的智能运行，从而节省用电，提高产量，同时降低设备的维护费用。 一、节电原理：抽油机的运行特性决定了当泵装置按照一定的冲程长度、活塞直径、冲程频次也确定之后，抽油机的工作能力就成为一个固定不变的量。相对于油井负荷的变化,也就是装载率的变化，在抽取过程中，抽油机固定的能力无法对变化的负荷做出响应。因此，抽油机常常处于半负荷或轻负荷的工作状态。但是它做的功常常是无用功或部分无用功，而且在时泵空现象发生时一些现象随之产生：（1）抽油机运行的声音就变小。（2）抽取的速度会变快。（3）抽至地面的流体的量会明显减少。 （4）电流和功率因数会明显下降。 这就提供给我们一个机会：通过应用智能化控制手段，令抽油机的工作能力与油井负荷建立起优化的匹配关系，就可以大幅度地节省抽油机用电。具体地来说说，就是通过微电脑控制系统通过感应电流和电压相位角的变化，感知井下负荷的变化（装载率的变化），自动测知油井的实际负荷，当半满捞或空捞-即泵空发生时，自动令抽油机停止工作。只有当井内流体的蓄积量能满足再次连续满抽的条件时抽油机才会再次启动，开始抽取。这样做的结果，就能保证每一抽泵装置都有较高的充满度，不做无用功，减少低效以至无效抽取。经过多次的自动优化计算，自动修正控制参数确定抽油机最佳的启停时间来保证抽油机基本处于满负荷状态运行，并可以根据井下供液量的变化随时调整。以达到最大节电的目的。 二、通过国内外对该项技术的报道和记载，该技术具有超优异的运行特性，有以下特点：1、运行最优化高度的运行稳定性，严格的工业标准设计。自动化智能方式运行