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油田抽油机供lol菠菜网正规平台电系统无功补偿

发布时间:2022/08/26

lol菠菜网正规平台油田抽油机供lol菠菜网正规平台电系统无功补偿的应用

摘要:为提高油田采油系统1140V供电系统的功率因数,在对油田抽油机负荷特点和运行状态,以及抽油机电动机无功补偿的存在问题、影响因素等进行详细分析基础上,研制了一种用电抗器控制无功的无功功率动态补偿箱,并详细介绍了补偿箱的技术特点、使用方法和实际应用情况。

关键词:配电系统 无功补偿 无功功率 电动机

lol菠菜网正规平台1 引言

油田采油抽油机用电环境恶劣,人为窃电现象十分普遍,为防窃电油田抽油机电动机不得不采用1140V电压等级供电。为降低供电系统低压线路损耗,抽油机供电多采用变压器-电动机单元接线方式。由于抽油机工况复杂、供电电压偏高和供电方式的特殊性,给采油供电系统无功补偿设备选择及无功补偿的实现增加了难度,导致供电系统的功率因数长期偏低,一般在0.3~0.4左右,个别井功率因数在0.2以下。而电能计量则同时计量消耗有功电量和无功电量。

这种情况必然导致供电系统网损过大,供电部门要向采油单位收取功率因数调整电费,这对采油单位无疑增大采油生产的成本,使采油生产的整体经济效益下降。为使抽油机供电功率因数达到规定的要求,解决好1140V抽油机电动机系统的无功问题,对抽油机负荷特点、电动机运行状态等问题进行了认真研究,研制1140V的无功补偿及电动机控制箱,实际使用表明能很好地抽油机这种特殊负荷的无功问题。

lol菠菜网正规平台2 抽油机负荷特点及运行状态

2.1 抽油机负荷特点

不同油井抽油机的负荷曲线不同,抽油机负荷是一种与井下工况和平衡情况有关,依抽油机冲程为周期连续变化的周期性负荷。

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(1)抽油机负荷是变化极大的连续周期性负荷。变化频率常用冲程表示,抽油机冲程一般来说为6~12次/分钟,即变化周期为5~10秒。

(2)变化周期的上下两个冲程各有一个死点,抽油机停车后再起动时,总是从两个死点中负载较大的死点开始起动。因此,要求抽油机电动机应具有较大的起动转矩。

(3)抽油机负荷转矩和功率变化曲线如图1所示。从图中可以看出,抽油机在工作存在发电运行过程,其输出功率的大小和时间,随抽油机工作的实际工况不同而不同。

抽油机负荷特点决定选择电动机时,必须按最大扭矩选配电动机。实际中考虑到砂卡、结蜡等异常时,不致因起动困难烧毁电动机,通常还要人为增大电动机裕量,这无疑加剧“大马拉小车”现象,使得电动机长期在低负荷下运行。

电动机负载率低影响电动机的运行效率,国家标准GB12497-1995规定,Y系列37kW的6极电动机的负载率在0.40以上时为经济状态。

一般情况下,电动机效率、功率因数与负载率关系曲线如图2所示。图中a点对应的负载率称为临界负载率β0。从图2曲线可看出:当负载率β

功率因数低下不仅增加电动机本身损耗,而且给电网造成附加损耗,降低电网供电能力和变压器设备的利用率。

2.2 抽油机电动机运行状态分析

根据对抽油机负荷特点和机理分析,以及大量现场实际测试可得到如下结论:

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抽油机电动机在正常工作时,根据抽油机机械负荷的变化,电动机可能有两种完全不同的工作状态:当电动机拖动机械负荷运行时,电机处于电动机工作状态电力调整器 调什么,此时电动机从电网吸收有功和无功功率;当机械负荷拖动电动机运行时,电机处于发电机工作状态,此时电机从电网吸收无功功率,向电网送出有功功率。

而但无论电动机工作在那种状态,都要从电网吸收无功功率。电机处于发电状态时,由电机理论可知,电机从电网吸收的无功功率即空载无功功率,其大小与电机的设计方法、材料选用和制造工艺等直接相关。而电机处于电动机状态时,无功功率变化则与电动机负载大小有关,现场实际测量结果表明:抽油机上、下冲程的负荷变化,会引起1~4kvar无功变化。

3 抽油机供电系统无功补偿研究

油田1140V的抽油机电动机绝大多数采用6kV直配供电、变压器-电动机单元接线方式,在变压器低压侧计量消耗的有功电量和无功电量,这种系统在电动机端实施就地分散无功补偿是最佳补偿方案。对在电动机控制箱加电容器进行固定补偿,笔者和相关部门做过很多试验,试验能够得到较好的补偿效果,可以使功率因数达到0.85以上。但是,大范围使用却暴露出很多问题,难达到十分理想的补偿效果。

3.1 电容器选择匹配问题

用电容器实施固定就地补偿的电容器容量,一般按下式计算确定.

Q=(0.95~0.98)√3 UI (1)

式中:U—电动机的电压电力调整器 调什么,kV;

I—电动机的的空载电流,A。

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从计算公式可以看出,当电动机电压一定时,电动机的空载电流也是一定的,所以补偿容量QC就是固定的。实践表明,这种理论上的选择方法对负载率较高的电动机,能得到较好的补偿效果,而对抽油机这种工况复杂、负载率很低的电动机补偿效果却很差,功率因数得不到保证。试验表明,同样的电动机、相同的补偿容量,电动机负载率不同时补偿的效果不同,抽油机周期性负荷的变化,也会使无功功率发生变化。

虽然通过实际测试和进行调试,固定补偿在一段时期能保证功率因数在0.85以上,但之后会随井下工况变化而发生改变。另外,抽油机电机分22、30、37、45、55kW等多种容量,电机极数有六极、八极的不同,电容器规格也不同,电机还有新、旧之分(大量电机经过多次修理),这些因素对补偿无功都有很大影响。因此,测试和调试的工作量非常大,而大量的测试和调试工作现场人员是难以很好完成的。

3.2 过补引起的无功倒送问题

由于抽油机电动机补偿无功情况复杂,及使功率因数达标是用户追求的目标,一些文献介绍固定补偿功率因数能达标的实例[2],其补偿电容器可能会处在过补状态。另外电力调整器 调什么,固定补偿的控制采用的是与电动机同时投切的控制方法,由于补偿的无功大于电动机的空载激磁无功,切除时常会引发自激而损坏电容器。

过补引起的无功倒送是电力系统所不允许的,因为它会增加线路和变压器的损耗,加重供电线路的负担[3]。因为,线路、变压器电能损耗与电流有效值平方成正比,并不会因为功率反送而减小。另外,油田采油供电系统不考虑方向的无功电量计量方式,无功倒送也会使结算功率因数降低,使补偿的经济效益下降。因此,无功补偿应避免出现过补现象,而抽油机无功补偿情况复杂,上下冲程负荷变化很大,采用固定补偿使功率因数达标,出现过补是难以避免的。

3.3系统谐波的影响问题

电容器具有一定的抗谐波能力,但谐波含量过大时会对电容器的寿命产生影响,甚至造成电容器的过早损坏。胜利油田采油供电系统用有部分变频调速电动机,实测表明采油供电系统存在谐波的影响问题,而这一问题往往被忽视,导致一些电容器莫名其妙地损坏。另外,1140V电容器补偿投切涌流大,以及电容器大切除时可能发生自激,这些都是补偿设计必须考虑的问题。

3.4 关于动态补偿的问题

由于抽油机电动机无功补偿情况复杂,大范围推广固定补偿存在困难和补偿效果不理想,如何解决抽油机电动机无功补偿成为需要研究的课题,大家自然会想到动态补偿的问题。而采油生产采用1140V供电目的是防止偷电问题,但也给无功补偿技术的实施增加了难度。与380V供电相比,1140V的刀开关、断路器、电容器等设备的要求高,设备的价格高和装置的体积大。

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抽油机负荷的变化快,解决动态补偿问题需要依赖电力电子技术来实现。由于电力电子器件制作工艺方面的原因,目前无法制造高耐压、小电流的晶闸管元件,而且高耐压的晶闸管器件价格非常高。采用晶闸管串联技术不仅实现、控制上复杂,成本也很高。对1140V、功率因数0.85时的55kW电动机,可计算其额定电流在24A左右,并且需要动态补偿的无功只有几千乏。因此,对抽油机电动机用晶闸管实现动态补偿,需要的投资相比较高,性价比比较差。

通过上述的分析和研究可知,由于正常运行时抽油机的负荷率非常低,影响因素多,供电电压高,对抽油机这种特殊负荷的无功补偿,有很多问题有待研究和解决。

4 电抗器控制的补偿装置研制

在上述需求分析、研究的基础上,开发、研制了一种通过电抗器控制无功的1140V抽油机电动机控制箱,补偿控制箱主接线如图3所示。

无功补偿控制箱电容器分为两组,固定补偿和3或4千乏左右的可调补偿。固定补偿电容器承担电动机的空载无功,可调部分受电压调节器的控制,随抽油机负荷变化调节、补偿变动无功,变动无功补偿由电压调节器控制电抗器实现。专用电动机保护器用于过流、短路和缺相保护。

鉴于油田1140V抽油机电动机供电系统的特殊性,根据开发、设计者经验考虑了实际中的各种情况,使装置具有以下几方面特点。

(1)电容器是补偿控制箱的易损坏设备,通常电容器损坏最主要原因是过电压和过电流,标准电容器的允许过电压1.1UN。考虑到真空接触器操作、补偿系统可能出现的自激等过电压影响,补偿箱采用非标准、专门设计的高耐压、抗谐波电容器,电容器的绝缘膜为法国进口绝缘膜。

(2)抽油机用1140V电压供电,电容器投入时会出现较大的浪涌电流。为限制浪涌电流和考虑系统谐波的可能影响,固定补偿电容器回路也串有专门设计、制造的限流电抗器,且LC串联回路的调谐频率选择为189Hz。另外,电抗器设计要选择好电抗器铁芯线性度,以保证其在投切涌流和额定电压畸变下不会发生饱和。

(3)补偿控制箱断路器用国内信誉好、高质量的真空接触器;电动机的过流、缺相保护器采用现场人员熟悉、习惯的产品;电压调节器是自己开发的专用补偿控制器。另外,为方便电容器安装、调试和运行监视,补偿控制箱内安装有功率因数表,以便于掌握补偿情况、方便调试或及时更换固定补偿电容器。

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5.补偿控制箱的使用调试

由于抽油机使用的电动机容量不同,电机极数有六极或八极等差别,以及新、旧电机消耗无功不同,使用本文补偿控制箱也需要进行简单调试,首先是按表1选择固定电容器。

前面已经提到过,本文设计的补偿箱采用非标准、专门设计的高耐压、抗谐波电容器,考虑到不同容量、不同极数电动机的通用性,用于固定补偿的电容器有12、15、18、22、24kvar几种规格,通过组合构成固定补偿电容器。

可调补偿部分电容器设计有3、4kvar两种规格,电压调节器检测电源端的功率因数,输出端控制电抗器实现抽油机变化无功负荷的动态补偿,补偿系数通过调节器设置。

实际试验表明,要想取得十分理想的补偿效果,关键在于固定补偿电容器的选择。表1给出的补偿容量配置是根据电动机参数计算和调试经验给出的结果。由于抽油机工况复杂,特别是实际调试结果发现,经多次修理的旧电机有功、无功消耗增加都很大,因此补偿箱安装前后必须进行测试,调试好后再投入运行。另外,对性能和参数有较大变化的高耗能旧电机应淘汰。

抽油机电机控制箱一般是由多家生产的,生产厂家对不同抽油机性能、电机极数等情况并不十分清楚。因此,补偿箱电容器配置应由有关单位统一负责电力调整器 调什么,这一点非常重要。处理好调试和管理工作,就能得到最理想的补偿效果。

6 结 语

油田抽油机负荷特殊、工况复杂,因此抽油机电动机无功补偿问题复杂。本文研究、试验的结果表明,对固定补偿如果调试好,能使功率因数达到0.85左右,但大范围应用的调试工作量大,因而难达到十分理想的补偿效果。

本文提出和研制的1140V动态无功补偿控制箱,能够动态补偿抽油机负荷的变化无功,实践表明能得到十分理想的补偿效果,并且具有可靠性高、成本低、调试简单等优点;控制箱在系统设计、设备选择和补偿控制上电力调整器 调什么,有效地解决了抽油机这种特殊负荷无功补偿问题。

lol菠菜网正规平台抽油机采油用电是油田用电大户,其电费支出约占油田总电费的40%左右,因此抽油机供电降损、节能意义重大。无功补偿是降低线路、变压器电能损耗和避免无功罚款的有效措施,但不能降低电动机的电能损耗。如何利用电力电子技术即能提高功率因数,又能降低电动机的电能损耗是需要继续研究、解决的问题。