基于直流母线的抽油机井群控技术

中国石化胜利油田分公司2015年9月,基于直流母线的抽油机井群控技术,集团公司节能技术交流会,交流提纲,一、概况二、主要技术成果三、现场试验及应用四、经济效益分析,一、概况,抽油机是石油开发的主要设备,全国抽油机保有量10万台电机装机容量3500MW变压器装机容量50亿KVA,节能潜力大,胜利油田抽油机耗电12.8亿度/年，占油田总耗电量53%“一变一机一井”，系统效率较低系统效率每提高一个百分点，节能将达8750万度/年,抽油机井传统配电采用“一井一变”模式，一定要满足功率最大值且留有很大余量，效率低浪费大。多年来，围绕拖动系统及配电的持续攻关，在电机改进及控制柜等方面的研究取得了一定成效。油田生产是一个综合系统耗能过程，仅仅依靠常规技术和局部改造难以突破，进一步深入挖潜是有限度的。,一、概况,控制柜/变频器节能电机,单井电控模式：,一、概况,将同一采油区块的多口油井共用一台变压器和一台整流滤波器，将380V三相交流变成540V两相直流，完成“交-直”变化，两相直流电共用直流母线输送到单井，单井配备“直交”逆变终端，实现变频调控。,基于直流母线的群控模式：,实现了直流母线输送、减容、馈能合理利用、单井工况变频调速。,一、概况,针对油田机采系统能耗特点和节能降耗形势需要，2013-2014总公司先导试验项目、科技攻关项目。通过中石化科技部组织的专家组技术鉴定，达到国际先进水平。,一、概况,采用直流母线供电，线路损耗降低；,实现电机软启/软停；,抽油机吨液节电率10%；,实时动态调参，提高机采系统效率,技术指标,有效降低变压器容量60%以上；,网测功率因数0.9以上，有效解决谐波污染问题；,一、概况,技术思路,1、完成了抽油机不平衡馈能通过直流母线互馈共享技术。,一、概况,2、完成了整流滤波装置、专用油井逆变终端等直流母线群控节能装置及网络化管理软件。,3、形成了四项关键技术,一、概况,4、制定了油井群控变频装置企业标准；申请了5项国家专利（4项发明、1项实用新型）。,5、截止2014年底，累计推广应用55个集控单元238口井，变压器减少146台，实现减容63%，减少容量费292万元/年；综合节电率17.6%，节电560万度/年；,6、达到技术指标节能：10%以上；实现变压器减容：60%以上；网侧功率因数：0.9以上；实现了单井逆变终端实时调参；有效地提高机采系统效率。,一、概况,一、项目概况二、主要技术成果三、现场试验及应用四、经济效益分析,交流提纲,二、主要技术成果,（1）整流滤波环节的选配方案,PWM可逆整流(四象限变流器),网侧电流为正弦波，无谐波污染（绿色变换器）功率因数接近于1交-直流侧能量可双向传送，直流侧能量可以馈入电网直流侧母线电压Ud稳定可调缺点：可靠性较低，成本高,不可控整流器,电路结构简单、可靠，成本低能量单向传送，不会造成电网冲激；直流侧馈能互馈共享循环利用，无需馈网；缺点：存在谐波污染(设计选配直流侧LC滤波参数，改善交流侧电流谐波影响)；,1、直流母线群控配置组态结构设计,（2）整流器谐波和功率因数问题,研究试验成果：,相同负载，滤波电感增大则电流波形及谐波和功率因数改善相同电感，负载加重则电流波形及谐波改善网侧电流波形及谐波优劣与滤波电感参数和负载轻重密切相关,L=1.8mH,二、主要技术成果,2、抽油机专用逆变控制终端,（1）逆变控制终端功能设计,基础功能：调速控制、检测与保护。拓展功能:采用节能算法实现抽油机负载的动态跟踪控制，RTU采集上传电参数信息，完成与上位机的双向数据通讯。,二、主要技术成果,2、抽油机专用逆变控制终端,（2）动态跟踪调压节能控制方法,专用优化控制算法，通过实时检测电机的负载率高低，随着抽油机负载的周期性急剧变化，实时进行动态跟踪调节，改善电机的工作状态，提高电机的功效。,异步机的效率曲线上，轻载时很低，故应避免大马拉小车。轻载降压可实现节能。定子电压降低则主磁通减小，相当于小容量电机(PN减小)，使轻载时对应的接近最大值。,异步电动机的效率曲线,二、主要技术成果,2、抽油机专用逆变控制终端,（3）逆变终端主电路设计,1、馈能二极管独特设计：群控模式特需，实现直流母线馈能。2、三相整流器备用于现场单井电控模式；,3、巧妙利用整流桥二极管：一管多用，单井模式时用作整流，群控模式时兼作馈能二极管。仅需改接一条短线：将输入端T和直流侧P1端加接一条短路线即可简单实现。,二、主要技术成果,3、馈能利用及优化控制技术,基于下垂法的单井馈能控制,基于抽油机位置检测的错峰运行控制,基于馈能分析的二次错峰调节控制,网络,二、主要技术成果,（1）冲程位置检测错峰控制技术,使直流母线上各抽油机倒发电馈能与电动消耗能量保持平衡，提高直流母线能量的互馈共享和循环利用效率。,最优化控制方法构造各抽油机上、下冲程相位参差协调控制的最优控制模型,3、馈能利用及优化控制技术,二、主要技术成果,（2）系统馈能检测控制技术,合理的冲程相位差分布决定了N台抽油机的电机处于电动耗能和倒发电馈能两种状态的“馈耗台数”基本均衡，但馈耗台数均衡并不代表直流母线上“馈耗能量”的均衡，通过结合馈能系数的加权求和，将两方面因素融合在一起，对馈耗能量平衡予以综合协调群控。,最佳馈耗平衡状态应满足以下功率平衡方程,M为N台抽油机中处于馈能状态的台数，满足NM1,3、馈能利用及优化控制技术,二、主要技术成果,（3）逆变终端的下垂法控制技术,群控系统是一种简单的直流微电网，抽油机电动状态时作微网负载，馈能状态时相当于直流微电网上的一个特殊微源。,下垂法控制特性曲线（m2m1),下垂法设置在各逆变终端实施，当且仅当进入馈能状态时，根据所检测的直流母线电压大小做出即时判断和调节：,3、馈能利用及优化控制技术,二、主要技术成果,4、油井集控生产管理软件,管理软件主要功能,二、主要技术成果,（1）监控系统通讯配置方案,二、主要技术成果,4、油井集控生产管理软件,（2）监控软件设计框图,4、油井集控生产管理软件,二、主要技术成果,（3）监控软件运行界面,4、油井集控生产管理软件,二、主要技术成果,（3）监控软件运行界面,4、油井集控生产管理软件,二、主要技术成果,（3）监控软件运行界面,4、油井集控生产管理软件,二、主要技术成果,（3）监控软件运行界面,图3-59监控系统控制算法设置界面,4、油井集控生产管理软件,二、主要技术成果,（4）优化调参实例,井号：BAE941-X34抽油机类型：皮带式抽油机时间：2014.12.182014.12.27,4、油井集控生产管理软件,二、主要技术成果,专利情况,二、主要技术成果,一、项目概况二、主要技术成果三、现场试验及应用四、经济效益分析,交流提纲,群控试验区（一）,改造前：该区块涉及油井数15口，开井15口，油井日液量50.7方、油量22.3方。供电线路电压为6kV，导线为LJ-95，总长1.5kM，涉及变压器10台，总容量1130kVA，电机15台，总负载450kW；,改造后：原高压线路边线作为直流母线，原电机及电缆不变。变压器三台(160KVA、100KVA、80KVA),最远控制距离1千米。,（1）效果分析,三、现场试验及应用,1、实现减容70%，年节约容量费，26.5万元；2、群控实施调参后，冲次平均下降50%，日液增加3.5方；,（1）效果分析,三、现场试验及应用,（1）效果分析,改造前：该区块涉及油井数22口，开井20口，油井日液量79.6方、油量44方。供电线路电压为6kV，导线为LJ-95，总长7kM，涉及变压器15台，总容量1050kVA，电机22台，总负载644kW；,群控试验区（二）,改造后：原高压线路边线作为直流母线，原电机及电缆不变。变压器两台(160KVA、200KVA),群控面积3平方千米，最远控制距离2.7千米。,撬装整流单元,专用逆变终端,三、现场试验及应用,（1）效果分析,1、实现减容65%，年节约容量费，22.5万元；2、集控实施后，50hz运行节电18.2%；调参运行节电27%。；,三、现场试验及应用,（1）效果分析,三、现场试验及应用,（1）效果分析,五矿二队陈27#站,三、现场试验及应用,（2）群控系统网测谐波测试分析,1、直流群控系统整流器交流侧的电压谐波含量均低于GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波标准规定的5%。2、由于三相不可控整流器能流不可逆，产生的非特征谐波并不会反馈至电网。,交流提纲,一、项目概况二、主要技术成果三、现场试验及应用四、经济效益分析,四、经济效益分析,2、有功节电、无功节电,电机平均运行功率12kW，平均有功节电率按15%计算，节约电费：287.9万元/年；无功经济当量0.03kW/kVar计算，无功节电费用：160.3万元/年。,1、节约变压器容量费、减少设备费,变压器减容63，山东省企业变压器容量收费标准28元/kVA月，节约容量费为：292.4万元/年；变压器减少146台，折合变压器设备费：160.6万元。节约变压器空载损耗电费：4.3万元/年；负载损耗电费：36.6万元/年,3、提高生产管理水平，节约油井检泵及作业费用；有效的防止了偷盗电现象。,4、完善的数据采集与保护功能进一步保障系统稳定运行，同时为下一步智能油田建设需要提供支撑。,四、经济效益分析,年节容量费11.4万元，电费10.08万。投资增量回收期