1、引言 電能是油田生產的重要動力，隨著油田油氣勘探開發的深入，用電量將不斷增大，減少電能在生產輸送、分配及利用中的耗費，提高電能的利用效率，對于保證油田正常生產，提高油田經濟效益有著十分重要的意義。 目前，我國油田大部分采油廠已進入開發后期，綜合含水都己達到80％以上，部分油田已超過90％。隨著含水率的上升，采出總液量不斷增加，能耗迅速增長。由于油田電網的接線方式多采用干線式或放射式．特點是結構簡單，設備費用少，運行方便，但問題在于線路較長時，線路末端電壓偏低，致使抽油機（異步電動機）不能在額定電壓下運行，無法獲得最佳效率，使得電動機轉差增大，繞組溫度升高，加速絕緣老化，影響電動機壽命，電壓降低還使得電網功率損耗顯著增加加大。同時，油田電網主要負荷是作為抽油機原動機使用的異步電動機，屬感性負荷，運行時需從系統吸收無功功率，使供電設備及線路的能量和電壓損失加大。 根據實地調研，約有40％左右的電力用于機械采油，抽油機單井負荷變化幅度大、變化頻率高，功率因數在一個沖程中可由0.1變至0.9，造成負荷接入點的電壓波動較大�，F場調研同時發現，在油區未配置就地無功補償措施。當然，這種負荷的無功補償難度極大。采用常規的并聯電容器是不能滿足抽油機負荷特性的，不是欠補償就是過補償。而采用交流接觸器控制電容器投切的補償模式雖然可改善固定靜電電容器的補償方式，但依然不能很好適應抽油機交變負荷的特性，補償效果不理想。 油區內油井酉己電變壓器有以下幾種模式：一臺變壓器帶一口井、帶兩口抽油井、帶多口井的情況，變壓器到油井饋線長度一般小于20 m。一般而言，抽油機配套電動機最小10 kW，最大55 kW等各種規格，電動機基本更換為節能電動機。注水站普遍采用變頻器對注水泵供電方式，壓縮機部分采用變頻器供電，部分采用軟起動方式以便實現節能和限制起動電流的雙重效果。 由上述情況看，油田在地面電氣部分的節能降耗具有很大潛力。 2、典型油區現場調研 某油區電網經由35kV變電站降壓至6 kV送至各配電變壓器，6 kV配電線路共5條，長度約33 km，變壓器59臺，總裝機容量約8 780kVA。配電變壓器降壓至400 v，就近給油井抽油機、壓縮機、注水泵、集輸泵等負荷供電，實際用電負荷總容量約2 000 kVA，年耗電量1 500萬kW.h。對油區若干典型負荷的重要測點進行了測量，以下是測量數據和相應分析。 2.1 注水泵變頻器輸入側 對注水站某注水泵的電能情況進行了測試，該泵電動機由變頻器供電。分別在變頻器輸入側和輸出側對電壓、電流、功率因數、有功和無功功率等信號進行了測量。 線電壓波形有輕微平頂，含有少量5次（3.12％）、7次（2.31％）諧波，峰值因數為1.4。電流為馬鞍形波形，是典型的6脈動整流電路產生的波形。由電流諧波在系統輸入阻抗上的諧波壓降使得電壓中也含有同次數的諧波分量，會明顯影響到連接到該電源進線的其他用電設備的運行。 線電流中含有5（37.6％）、7（19.2％1、11（10.1％）、13、17、19、23、25等次諧波，諧波非常豐富。電流波形的峰值因數為l.8，嚴重畸變。輸入變頻器的總視在功率為51.2 kVA，有功功率為36.1 kW，無功功率為36.3 kvar。功率因數為0.71�？梢�，變頻器輸入功率因數較低，諧波含量大。大量變頻器同時運行，對系統的總體能耗有較大影響，主要體現在增加配電線路線損和變壓器附加損耗及對其他設各的能耗影響上。 2.2 變頻器輸出側 變頻器輸出側即為注水泵電動機的輸入側。圖l為變頻器輸出的線電壓、線電流波形。其中基波頻率40.8Hz，同時含有極為豐富的諧波成分。輸出電壓為單極性PWM調制的方波脈沖，具有很高的上升、下降沿，即du/dt極高。若通過電纜線路給電動機類負載供電，不但司能在電動機端形成高幅值的行波反射，導致電動機絕緣老化，損傷，還將顯著增大電動機的能耗，大大降低電動機的效率。電壓、電流頻譜，諧波中含有大量對電動機制動性質、脈動的功率，嚴重影響了電動機效率，增大了能耗。電流諧波含量非常豐富，波形的峰值因數高達7.2，諧波總畸變率達到90％。這樣的電流流經電動機繞組，必然會引起相當比例的、無效的有功損耗。電流諧波的困擾表現的另一個方面是導致電動機的功率因數很低，僅0.26。 [ALIGN=CENTER] 圖1 變頻器輸出側線電壓、線電流波形[/ALIGN] 分析表明，配置的變頻器沒有輸出濾波器環節，導致高頻諧波分量豐富，顯著增加了電動機的功耗。 2.3 抽油機測點 抽油機的供電側電壓波形完好，諧波含有率很低，總諧波畸變率為0.7％，電流波形近似正弦，總諧波畸變率為2.7％，主要是含有小于5％的5次和7次諧波分量。圖2 是供電電壓、電流的連續臨測曲線。 波形表明，抽油機的往復工況，使得功率因數在0.1～0.9范圍內往復變化，平均功率因數很低，約0.4左右，具有很大的節能潛力。電流在30.63～41.71 A問變化，波動率為30.3％。改善負荷電流的穩定（削峰平谷）性是可考慮的有效方案。圖3為供電功率的連續監測曲線，負荷功率波動范圍很大，在3.67——15.1 kW范圍內波動，波動率為134％。2.4 壓縮機測點 供電電壓波形較好，諧波含有率較低，總諧波畸變率為2.4％，電流波形近似正弦，總諧波畸變率為2.2％，主要是含有小于3％的5次諧波分量。 [ALIGN=CENTER] 圖2 供電電壓、電流的連續監測曲線 圖3 供電功率的連續監測曲線[/ALIGN] 壓縮機功率因數在較大范圍內往復變化，需要配置動態無功補償設備提高功率因數，降低變壓器容量。 供電電壓在388.3～400.1V間變化，波動率為3.O％，電壓波動率滿足要求。電流在255.5～311.6A間變化，波動率為19.9％。負荷功率波動范圍很大，在88.2～123 kW范圍內波動，波動率為33.1％。也可通過改善負荷電流的穩定性挖掘節能潛力。 3、綜合節能方案 根據油區的現場調研和實測，適合油田配電網和負載的節能降耗原則為：固定補償與動態調節補償相結合；分散補償與集中補償相結合：低壓補償與高壓補償相結合：調壓補償與降損補償相結合：無功補償和諧波抑制相結合的綜合節能技術方案。具體而言，有以下7點節能思路：①改善功率因數。②合理選擇變壓器容量和型式。③平衡負荷、削峰平谷。④變頻調速技術及其改造。⑤動態無功補償和諧波抑制。⑥電壓調整和動態電壓支撐。⑦提高配網電壓等級，增大導線截面。 3.1 改善功率因數 （1）合理使用異步電動機，減少線路輸送的無功功率。油田電網中異步電動機消耗的無功功率為 式中，是電動機空載運行時所需的無功功率；和分別是額定負載運行時的有功與無功功率；是電動機實際負載。顯然，有功負荷減少，負載系數β降低，無功負載只有小部分按減少，大部分維持不變，與有功需要量減少不成比例，功率因數變壞。所以選擇電動機的容量，應盡量接近其所帶負載�？梢杂眯ｒ灩β室驍底畹宛侂娋�路的方法，找出負荷不足的電動機，用鉗形電流或利用測量負荷曲線的辦法確定適當容量，用小容量電動機代替負荷不足的大容量電動機避免大馬拉小車。 （2）增設無功補償裝置。 當依靠提高自然功率因數的辦法，不能滿足經濟運行對功率因數的要求時，需增設無功補償裝置，根據油田電網特點，補償裝置一般選用靜電電容器，補償方式可采用集中補償和個別補償相結合的辦法。為了在運行中調節電容器的容量，可將其連成若干組，根據負荷變化分組投入或切除。提高功率因數所需的補償容量可按下式計算 式中，是補償電容器容量；是有功負荷；是功率因數改變前的相位角；是功率因數改變后的相位角。 但現場測量發現，抽油機井每分鐘沖次8～12次，全天工作，功率因數在O.1～0.9大范圍內變化，采用根據負荷變化投切電容器的做法很難滿足要求。表現為．補償容量不連續，為分級投切，達不到最佳補償效果；暫態瞬變過程多、對系統沖擊大；電容器等元件設備容易損壞；在諧波環境下補償裝置拒投以及可能造成諧波放大等問題。 考慮到油區6 kV配電網末端由配電變壓器降壓至400 V電壓等級對抽油機井供電，且400 v線路長度不超過20 m，因此，單臺變壓器帶多口井情況下，就地動態功率因數補償最合理的位置應為6kV/0.4 kV降壓變壓器的高壓側。圖4 所示為低壓動態無功補償設備主電路拓撲圖，該拓撲接入變壓器6 kV側和固定電容器組，實施動態無功補償（無功就地補償）。 [ALIGN=CENTER] 圖4 新型動態無功補償主電路拓撲[/ALIGN] 圖4為新型動態無功電源的原理接線圖，圖中只畫出兩組模塊，可通過增加模塊增大無功電源容量。升壓變壓器為接線，裝置通過變壓器接入不同的電壓等級（6～35 kV）。低壓側有兩個繞組，分別是星、三角形接線，其線圈匝比為，線電壓取400V。每個模塊由兩組三角形接線的TCR支路構成，一組接入變壓器△繞組，另一組接入Y繞組，每條支路均可采用相控或投切模式。當所需容量很大時，可以并聯多組模塊運行，任意時刻只有一組模塊為相控方式。 通過控制每個TCR支路的晶閘管控制角α在90°～180°之間變化，實現0～最大容量范圍內調節電抗器電流。由于采用相控方式，支路中會產生高次諧波，在正負半波觸發脈沖對稱時，基波及諧波電流的幅值僅由控制角α確定。研究表明，上述結構可以實現12脈動效果，即動態無功電源注入系統的諧波電流的次數為12/k±1，k為正整數。在大容量方式下時，由于相控模塊只有一組，則諧波含量更小。動態無功補償裝置不需要任何附加濾波裝置，注人系統的諧波便能達到國標要求。 3.2 合理選擇變壓器容量和型式 油田現有變壓器容量過剩，“大馬拉小車”現象非常嚴重。許多配電站均為兩臺變壓器并列運行，配電變壓器運行效率較低。因此，應對系統本身的運行方差異較大：小同容量的配電變壓器其損耗也不相同；功率因數的變化對變壓器損耗影響較大。 目前采油廠電網中尚有S7等非節能型變壓器在運行。其銅損和鐵損高，月老化嚴重，維護工作量增大。針對變壓器在配電網絡電能消耗中的影響，采用裝配低損耗配電變壓器，加裝束端低壓電容器加強運行管理，合理調配變壓器容量等措施，對配電網絡中所使用的變壓器予以調整，使其運行在最佳工作狀態。 對于大量變壓器帶單井或取井的吏際情況，負載功率不大，最大功率抽油機僅為55 kW，可考慮低壓側晶閘重開關電容～（Thyristor Switched Capacitor，TSC）補償方式，可動態補償抽油機無功需求，顯著降低對變壓器視在功率的要求，降低變壓器總容量，實現節能降耗目的。 系統處于三相小平衡運行時，其電壓、電流中含大量負序分量。由于負序分量的存在，三相小平衡對電氣設備產生不良影響。 負序電壓產生制動轉矩，使感應電動機的最大轉矩和輸出功率下降，還可能引起電動機振動。由于電動機的負序電抗很�。ㄖ挥姓螂娍沟�1/5～1/7），所以負序電壓產生的負序電流很大．使電動機的銅損增加。銅損的加大不僅使電動機效率降低，同時使電動機過熱，導致絕緣老化過程加快。 變壓器處于不平衡負載下運行時，如果其中一相電流已經先達到變壓器額定電流，則其余兩相電流只能低于額定電流。此時，變壓器容量得不到充分利用。例如三相變壓器供電給單相線電壓負載時，變壓器的利用率約為57.7％；如果供電給單相相電壓負載，則變壓器的利用率僅為33．3％；如果處于不平衡負載下運行時仍要維持額定容量，將會造成變壓器局部過熱，損耗增加。 TSC的分相控制模式可以平衡三相負載，提高變壓器容量利用率，實現節能效益。 3.3 平衡負荷、削峰平谷 由于電能具有不能存儲的特點，電網運行中用電負荷又隨時間而變化，造成在用電高峰期，電力短缺，用電低谷期，發電容量浪費的現象。線路運行中產生的損耗不僅與峰谷差有關，還與峰谷持續時間長短有關。研究表明，線路負荷不均衡時的損耗大于負荷均衡條件下運行的損耗。負荷越均衡，電流變化的增量越小，則損耗越小。這說明線路損耗的大小不但和電流增量大小有關，還和各增量持續時間長短有關。 抽油機工作中的每個沖次吸收的電流最小值和最大值問差別極其顯著，負荷電流波動很大，造成線損比例很高。 可以設想，從系統側看，如果抽油機的運行特性滿足下列條件：①吸收穩定、無諧波的正弦電流；②三相功率平衡；③沒有沖擊涌流或大的起動電流｛④功率因數為l。則抽油機的節能問題會迎刃而解。 因此，負荷質量調節器（Unified Load QualityConditioner，ULQC）的概念應運而生，它的主電路拓撲實質是并聯型電力有源濾波器（APF）的直流母線上配置了儲能設薔及其斬波控制電路，ULQC和負荷并聯運行，通過有源濾波、無功和負序補償、短時有功支持等作用使得從系統側看負荷達到上述理想抽油機負荷的條件，實現改善用電質量和節能的目標。ULQC是基于超級電容儲能控制系統的補償裝置（如圖5所示），可提供短時有功支持減小負荷沖擊擾動的功能。超級電容是近年來出現的一種新型儲能元件，與電池儲能相比具有許多顯著的優勢，在特定應用場合已經顯示出取代電池的趨勢。 ULQC是基于IGBT的三相電壓源變流器．超級電容通過DC—DC變換連接到ULQC的高壓直流母線上。電路拓撲如圖5所示。圖中VT[SUB]1[/SUB]～VT[SUB]6[/SUB]構成ULQC逆變器，除了具有濾波及動態無功補償功能外，由于設置了儲能系統，還口可以短時間內向負荷提供有功功率。當然，在負荷由重載突變為輕載、甚至空載時，也可以快速吸收突減的有功功率，避免系統電壓的劇烈變動。C[SUB]S[/SUB]是超級電容，單體電容的耐壓很低，一般低于3v，因此實際應用中要將大量的電容器串聯，達到可用的電壓水平。當需要ULQC進行有功補償時，通過Ⅵ[SUB]8[/SUB]構成的升壓電路將超級電容端電壓升至需要的直流母線電壓，并保持在規定的電壓值附近，VT[SUB]1[/SUB]～VT[SUB]6[/SUB]作為PWM逆變器工作；而需要對C[SUB]S[/SUB]充電或吸收部分有功功率時，通過VT[SUB]7[/SUB]構成的降壓電路完成，VT[SUB]1[/SUB]～VT[SUB]6[/SUB]作為PWM整流器工作。抽出ULQC直流電容中點町以構成三相四線制系統，此時需要增設一個橋臂控制中線電位。 [ALIGN=CENTER] 圖5 負荷質量調節器[/ALIGN] 對于波動負荷，系統可以維持輸出一基本恒定的功率，波動功率部分由ULQC補償。當負荷汲取的有功功率小于系統提供的基本功率，則功率差值被ULQC吸收，對超級電容儲能系統充電，ULQC的換流器工作于高頻整流模式；當負荷汲取的有功功率大于系統提供的基本功率，則功率差值由ULQC提供，超級電容儲能系統放電，ULQC的換流器工作于高頻逆變模式。 3.4 變頻調速技術及其改造 對于有大范圍調速要求的電動機采用變頻調速技術具有非�？陀^的節能效益。就油田生產的各個環節而言．廣泛采用適合的電動機變頻技術，可以避免電動機使用效率的浪費，提高電動機運行效率，降低電動機空載運行損耗。 若考慮油區1200 kVA注水泵采用目前最新的級聯多電平H橋串聯技術實施變頻調速，則年節電費用可達60萬元，投資回收期為1年左右。 前述的現場實測數據中，已經裝設變頻器的電動機，也可通過改造實現可觀的節能效益。如可通過在變頻器輸出側加裝尤源濾波器濾除變頻器輸出的高次諧波，得到理想的正弦波電壓給電動機供電，這樣可以消除大量諧波帶來的附加損耗、制動和脈動轉矩，不但顯著提高電能利用效率還能保護電動機絕緣，延長使用壽命。 3.5 動態無功補償和諧波抑制 油田配電網大約50％的無功功率是消耗在輸、變、配電環節中，其余50％消耗在電力用戶。通過電網無功電壓優化運行，在保證各結點電壓合格的條件下，以網損最佳為目標，動態集中控制變壓器有載分接開關檔位和變電所無功補償設備（容性和感性）投切，達到全網無功分層就地平衡，全面改善和提高電壓質量，降低電能損耗。當電網滿足調壓條件時，提高或降低運行電壓能夠達到降損節電的效果。 為了減少無功功率損耗，就必須減少無功功率在電網里的流動。由于油田井口位置分散，配電線路均為輻射狀敷設至井口變壓器．6 kV線路較長，末端壓降大，功率因數較低，無功損耗嚴重。最好的辦法是就近進行無功補償，提高用電負荷的功率因數，減少發電機無功出力和減少輸、變、配設備中的無功電力消耗，從而達到降低損耗的目的。但油區配電網中含有相當比例的變頻設備和整流設備，諧波含量往往較高，使得無功補償設各不能正常投入，甚至損壞。有時，無功補償設備即使投入也可能造成系統中原有諧波成分的放大，引起保護動作．降低了系統可靠性。 因此動態無功補償和諧波抑制的綜合治理對提高負荷功率因數對降低有功功率損耗的效果具有重要影響，尤其是對低功率因數的用戶。通過配電網絡并聯無功補償和優化濾波配置，采用400V電壓等級晶閘管開關濾波裝置（Thyrlstor Switched Filter，TSF），合理配置，進行配電網絡無功優化和諧波抑制，提高電網功率因數，降低配電網絡損耗，是節能降耗最有效的措施。 TSF是一種無功補償兼諧波抑制裝置，具有傳統的動態補償裝置與電力濾波器的雙重優點，可以抑制由于負載變動引起的電網電力波動。晶閘管開關濾波器TSF不僅可以濾除電力系統中的諧波電流，還可快速自動跟蹤系統無功負荷變化，進行就地無功補償，保證用戶功率因素在規定的范圍之內：TSF可濾掉系統諧波，避免了電網中諧波傳輸現象，提供了一個穩定、潔凈的用電環境：由于TSF采用晶閘管控制電抗器，可自動實現濾波器組投入和切除的操作，具有無浪涌沖擊，無電弧重燃的特點，達到確保電力變壓器安全運行，改善電能質量的目的。 一個標準的TSF結構應當具備通過晶閘管開關來限制裝置電流的改變以及降低開關的過渡過程的能力。通過對開關過渡過程的分析，表明如果如下的兩個條件被滿足，可以實現開關的最小過渡過程：電容器在電壓的正，負峰值到來之前被充電；晶閘管在系統電壓的正，負峰值點被觸發。通過對TSF工作方式的分析可以看出，由于TSF濾波囂在投入系統的時候，電容器兩端電壓已經與系統線電壓致，因此晶閘管導通后，不會產生由于電容器與線電壓之間有電壓差而出現的充放電振蕩現象，從而實現了投切的最小過渡過程。 3.6 電壓調整和動態電壓支撐 當系統電壓發生偏差，會對接入電科的用電設備的運行產生重大影響。用電設備是按照額定電壓進行設計和制造的。當電壓偏離額定電壓較大時，用電設備的運行性能惡化，可能會因過電壓或過電流而損壞。對異步電動機而言，其電磁轉矩發生波動、損耗增加、效率降低、壽命縮短。引起電網電壓和頻率穩定問題、絕緣問題、鐵心飽和及諧振故障，增加損耗、經濟運行水平下降。因此，對油田電網超出范圍的電壓波動必須具有電壓調整的手段。 負荷對于無功功率的要求盡管變化的范圍和速率千差萬別，但都會引起電源點電壓的變化，這會影響到與該點連接的用電設備的運行效率，導致不同用戶的負荷間相互干擾。為了防止這種情況發生，一般規定電源電壓的變化在指定的范圍內。在某些場合，當大幅度的、急劇的負荷變化所產生的電壓降落會危害其他設各安全運行或產生系統電壓突變的時候，這個限度將更小。因此，在負荷對無功功率的要求不斷變化的情況下，電壓調整顯得很重要。 油田電網電壓調整的措施可以分為兩類：一類是依靠調節發電機、變壓器的輸出端電雎而達到調節網絡電壓的目的；另一類則是依靠改變無功功率分布、線路參數等方式來實現電壓調整。調節發電機端電壓、調節變壓器分接頭的調壓方式，只有在電力系統無功電源充足的條件下才是行之有效的。當無功電源不足時，為了防止發電機因輸出過多的無功功率而嚴重過負荷，往往是不得不降低整個電力系統的電壓水平，以減少無功功率的消耗量，這時即使用調節變壓器分接頭等方法可以局部地提高系統中某些點的電壓水平，但這樣做的結果反而增加了無功功率的消耗，迫使發電機不得不進一步降壓運行，以限制系統中總的無功功率消耗，從而導致整個系統的電壓水平更為低落，形成電壓水平低落和無功功率供應不足的惡性循環，甚至導致電壓崩潰。因此，當電力系統的無功電源不足時，就必須在適當的地點裝設無功電源對所缺的無功進行補償。一般說來，在負荷點適當地裝設無助補償裝置，可以減少線路上傳輸的無功功率，使無功得以就地供給．從而降低線路上的功率損耗和電壓損耗，相應提高負荷點的電壓水平。 3.7 提高配固電壓等級，增大導線截面 在電能的輸送過程中，6kV電壓級的配電網的網損占了整個電網網損相當大的比例。理論計算表明，6kV電網升壓改造為10kV系統后，負載損耗能降低64％。而且輸電線路還能夠滿足用電負荷增長的需要，提高線路輸送容量，線路損失較少。 在電能的輸送過程中，保持輸送負荷不變的情況下，加大導線截面，可減少線路電阻，降損節電的效果也較為明顯。在工程具體實施時，需根據實際情況，進行經濟比較，以達到經濟效益的最佳效果。 4、結束語 油田開發后期供用電系統改造與節能降耗是一項系統工程，既要有針對性地解決關鍵問題，又要較全面地把握和研究各系統環節技術的特點和規律；既要積極借鑒國內外的經驗和技術，又要研發具有自身特色，適合自身要求的設備和技術，才能較好解決我國油田開發后期所面臨的一系列難題，從而達到油田開發經濟性與效益性綜合平衡。