基于直流母线的抽油机井群控技术

1、中国石化胜利油田分公司中国石化胜利油田分公司2015年年9月月 基于直流母线的抽油机井群控技术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集团公司节能技术交流会交 流 提 纲一、概况一、概况二、主要技术成果二、主要技术成果三、现场试验及应用三、现场试验及应用四、经济效益分析四、经济效益分析抽油机是石油开发的主要设备抽油机是石油开发的主要设备 全国抽油机保有量全国抽油机保有量10万台万台 电机装机容量电机装机容量3500MW8变压器装机容量变压器装机容量50亿亿KVA节能潜力大节能潜力大胜利油田抽油机耗电胜利油田抽油机耗电12.8亿度亿度/年，年，占油田总耗电量占油田总耗电量53%“一变

2、一机一井一变一机一井”，系统效率较，系统效率较低低系统效率每提高一个百分点，节系统效率每提高一个百分点，节能将达能将达8750万度万度/年年 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。控制柜控制柜/变频器变频器 节能电机节能电机 单井电控模式单井电控模式： 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，

3、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。 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。 不平衡馈能直流母线互馈共享技术；井群上、下冲程位置控制方法完善逆变终端实现分时软启，直流母线冗余容量共享技术；研究油井群控生产管理软件采用直流母线供电，线路损耗降低；采用直流母线供电，线路损耗降低；实现电机软启实现电机软启/ /软停；软停；抽油机吨液节电率抽油机吨

4、液节电率10%10% ；实时动态调参，提高机采系统效率实时动态调参，提高机采系统效率 技术指标技术指标有效降低变压器容量有效降低变压器容量60%60%以上以上 ；网测功率因数网测功率因数0.90.9以上，有效解决谐波污以上，有效解决谐波污染问题；染问题；通过国内外相关技术调研，从集群的角度开展通过国内外相关技术调研，从集群的角度开展提高抽油机系统整体效率的节能理论研究提高抽油机系统整体效率的节能理论研究开展关键技术攻关、配套技术研究和现场试验开展关键技术攻关、配套技术研究和现场试验围绕直流供电、能量共享和集群控制等节点，围绕直流供电、能量共享和集群控制等节点，开展总体配置方案设计开展总体配置方

5、案设计形成一套成熟的基于直流母线供电的油井群控形成一套成熟的基于直流母线供电的油井群控节能控制技术节能控制技术 1、完成了抽油机不平衡馈能通过直流母线互馈共享技术。 变变 压压 器器.变变 频频 终终 端端控控 制制 柜柜n 整整 流流/ 滤滤 波波变变 频频 终终 端端控控 制制 柜柜1 高高 压压 开开 关关( ( 零零 克克 ) ) 真真 空空 断断 路路 器器变变 压压 器器变变 频频 终终 端端控控 制制 柜柜n #整整 流流 / / 滤滤 波波变变 频频 终终 端端控控 制制 柜柜1高高 压压 开开 关关( (零零 克克) )基于直流供电的油井节能集群系统配置方案2、完成了整流滤波

6、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（1）直流群控整流滤波控制技术；（2）直流群控系统专用逆变终端；（3）直流互馈群控系统控制方法；（4）油井群控生产管理软件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、项

7、目概况一、项目概况二、主要技术成果二、主要技术成果三、现场试验及应用三、现场试验及应用四、经济效益分析四、经济效益分析交 流 提 纲（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，无谐波污网侧电流为正弦波，无谐波污染（绿色变换器）染（绿色变换器）功率因数接近于功率因数接近于1 1交交- -直流侧能量可双向传送，直流侧能量可双向传送，直流侧能量可以馈入电网直流侧能量可以馈入电网直流侧母线电压直流侧母线电压UdUd稳定可调稳定可调缺点：可靠性较低，成本高缺点：可靠性较低，成本高不可控整流器电路结构简单、可靠，成本低电路结构简单、可靠，成本低能量单向传送，不会造成电网能

8、量单向传送，不会造成电网冲激；冲激；直流侧馈能互馈共享循环利用直流侧馈能互馈共享循环利用，无需馈网；，无需馈网；缺点：存在谐波污染缺点：存在谐波污染( (设计选设计选配直流侧配直流侧LCLC滤波参数，改善交流滤波参数，改善交流侧电流谐波影响侧电流谐波影响) )；群控系统的整流滤波环节选用不可控整流方案群控系统的整流滤波环节选用不可控整流方案1 1、直流母线群控配置组态结构、直流母线群控配置组态结构设计设计（2）整流器谐波和功率因数问题研究试验成果：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

9、重密切相关L=1.8mH2 2、抽油机专用逆变控制终端、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：基础功能：调速控制、检测与保护。调速控制、检测与保护。 拓展功能拓展功能: : 采用节能算法实现抽油机负载的动态跟踪控制，采用节能算法实现抽油机负载的动态跟踪控制，RTURTU采集上传电参数采集上传电参数信息，完成与上位机的双向数据通讯。信息，完成与上位机的双向数据通讯。2 2、抽油机专用逆变控制终端、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，通过实时检测电机的负载率高低，随着抽油机负载的

10、周期性急剧变化，实时进行负载的周期性急剧变化，实时进行动态跟踪调节动态跟踪调节，改善电机的工作状态，改善电机的工作状态，提高电机的功效。提高电机的功效。 8 9 %maxNP75.0NP2Pn异步机的效率曲线上，轻载时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(PN减小减小) )，使轻载时对应的使轻载时对应的接近最大值。接近最大值。70%UNf1UNfNU1 异步机降压运行时的压频曲线异步电动机的效率曲线 2 2、抽油机专用逆变控

11、制终端、抽油机专用逆变控制终端 （3）逆变终端主电路设计RSR750VDC+G20 /50WP1R2三 相 输 入 端 空 置 不 用 ！直 流 母 线 输 入1 1、馈能二极管独、馈能二极管独特设计：特设计：群控模式群控模式特需，实现直流母特需，实现直流母线馈能。线馈能。2 2、三相整流器、三相整流器备备用于现场单井电控用于现场单井电控模式；模式；3 3、巧妙利用整流桥二极管：、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：将兼作馈能二极管。仅需改接一条短线：将输入端输入端T T和和直流侧直流侧P1P1

12、端加接一端加接一条短路线即可简单实现。条短路线即可简单实现。 3 3、馈能利用及优化控制技术、馈能利用及优化控制技术基于基于下垂下垂法法的的单井单井馈能馈能控制控制基于抽油机基于抽油机位置检测位置检测的错峰的错峰运行控制运行控制基于基于馈能分析馈能分析的二次错峰的二次错峰调节控制调节控制网络网络RTU-1RTU-2RTU-3RTU-N（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。冲程位置检测冲程位置检测 运算比较运算比较 发出指令发出指令 逆变终端逆变终端 抽油机错峰运行抽油机错峰运行最优化控制方法最优化控制方法

13、构造各抽油机上、下冲程相位参差协调控制的最构造各抽油机上、下冲程相位参差协调控制的最优控制模型优控制模型3 3、馈能利用及优化控制技术、馈能利用及优化控制技术（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。馈能功率检测馈能功率检测 比较判断比较判断 发出指令发出指令 逆变终端逆变终端 抽油机错峰运行抽油机错峰运行NMiiMiiPP11最佳馈耗平衡状态应满足以下功率平衡方程最佳馈耗平衡

14、状态应满足以下功率平衡方程M M为为N N台抽油机中处于馈能状态的台数，满足台抽油机中处于馈能状态的台数，满足NM1NM1 3 3、馈能利用及优化控制技术、馈能利用及优化控制技术（3）逆变终端的下垂法控制技术 群控系统是一种简单的群控系统是一种简单的直流微电网直流微电网，抽油机电动状态时作，抽油机电动状态时作微网负载微网负载，馈能状态，馈能状态时相当于直流微电网上的一个时相当于直流微电网上的一个特殊微源特殊微源。 母线电压检测母线电压检测 运算比较运算比较 逆变终端逆变终端调节输出频率调节输出频率 调节调制比调节调制比Ud UdHUdL f2(m2)f1(m1)f(m) 下垂法控制特性曲线（下

15、垂法控制特性曲线（m2 m1)m2 m1)l下垂法下垂法设置在各逆变终端实施，当且仅设置在各逆变终端实施，当且仅当当进入馈能状态进入馈能状态时，根据所检测的直流时，根据所检测的直流母线电压大小做出即时判断和调节：母线电压大小做出即时判断和调节：3 3、馈能利用及优化控制技术、馈能利用及优化控制技术4 4、油井集控生产管理软件、油井集控生产管理软件监测各抽油机及电控终端运行参数监测各抽油机及电控终端运行参数监测整流滤波柜运行参数监测整流滤波柜运行参数系统保护及报警系统保护及报警上位机对各终端的控制上位机对各终端的控制（1）监控系统通讯配置方案终端通讯终端通讯收发单元收发单元终端保护终端保护单元单

16、元终端变频终端变频控制单元控制单元抽油机抽油机1电量数据电量数据采集单元采集单元油井远程油井远程监控系统监控系统井群监控数据库服务器井群监控数据库服务器无线通讯管理系统无线通讯管理系统油田油田MIS系统系统UPS局域网局域网终端通讯终端通讯收发单元收发单元终端保护终端保护单元单元终端变频终端变频控制单元控制单元抽油机抽油机N电量数据电量数据采集单元采集单元通讯通讯单元单元整流整流滤波滤波电量数据电量数据采集采集WEB服务器服务器 4 4、油井集控生产管理软件、油井集控生产管理软件（2）监控软件设计框图D DT TU U上上电电启启动动读读状状态态定定时时器器是是否否为为控控制制命命令令？发发送

17、送启启停停、变变频频等等控控制制命命令令发发送送读读命命令令关关读读读读状状态态定定时时器器是是否否发发送送成成功功？Y Y失失败败超超过过1 10 0次次？D DT TU U已已下下线线D DT TU U已已下下线线是是否否发发送送成成功功？执执行行数数据据刷刷新新是是否否检检测测到到故故障障？发发出出声声光光报报警警D DT TU U是是否否上上线线？Y YN NN NN NY YY YN NY Y失失败败超超过过1 10 0次次？执执行行控控制制命命令令Y YN N提提示示重重新新设设定定Y YN N4 4、油井集控生产管理软件、油井集控生产管理软件（3）监控软件运行界面4 4、油井集控

18、生产管理软件、油井集控生产管理软件（3）监控软件运行界面4 4、油井集控生产管理软件、油井集控生产管理软件（3）监控软件运行界面4 4、油井集控生产管理软件、油井集控生产管理软件（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 4、油井集控生产管理软件、油井集控生产管理软件（4）优化调参实例时间时间周期功周期功上行功上行功下行功下行功冲次冲次解释说明解释说明2014/12/18 16:260.0830.0480.034/停机2014/12/18 17:0067.8647.9119.952.48正常2014/12/18 18:3962.8248.8014.012.48中度缺液2014/

19、12/18 19:5044.5047.46-2.952.48重度缺液2014-12-26 11:0465.0548.1716.881.01正常2014/12/27 13:1467.7948.9618.821.01正常井号：BAE941-X34 抽油机类型：皮带式抽油机 时间：2014.12.182014.12.2701234560102030405060708090载荷/KN位移/m1) 2014-12-18 16:26:01 2) 2014-12-18 17:00:003) 2014-12-18 18:39:584) 2014-12-18 19:50:176) 2014-12-27 13:1

20、4:455) 2014-12-2611:04:4001234560102030405060708090载荷/KN位移/m01234560102030405060708090载荷/KN位移/m01234560102030405060708090载荷/KN位移/m01234560102030405060708090载荷/KN位移/m01234560102030405060708090载荷/KN位移/m4 4、油井集控生产管理软件、油井集控生产管理软件专利情况序号专利名称类型 专利号（受理号） 1 基于直流母线的抽油机井群控基于直流母线的抽油机井群控系统系统 发明发明201210153540.4 2

21、 一种简单的异步调制实现方法一种简单的异步调制实现方法 发明发明201010235790.3 3 直流电流型异步电动机及驱动直流电流型异步电动机及驱动控制控制 发明发明201210570561.6 4 一种抽油机集控专用逆变控制一种抽油机集控专用逆变控制装置装置 发明发明 201410641272.X 5抽油机井倒发电集控整流装置抽油机井倒发电集控整流装置 实用新型实用新型201420293094.1一、项目概况一、项目概况二、主要技术成果二、主要技术成果三、现场试验及应用三、现场试验及应用四、经济效益分析四、经济效益分析交 流 提 纲群控试验区（一）群控试验区（一）改造前：改造前：该区块涉及

22、油井数该区块涉及油井数15口，开井口，开井15口，油井日口，油井日液量液量50.7方、油量方、油量22.3方。方。供电线路电压为供电线路电压为6kV，导线，导线为为LJ-95，总长，总长1.5kM，涉，涉及变压器及变压器10台，总容量台，总容量1130kVA，电机，电机15台，总负台，总负载载450kW；改造后：改造后：原高压线路边线作原高压线路边线作为直流母线，原电机及电缆为直流母线，原电机及电缆不变。变压器三台不变。变压器三台(160KVA、100KVA、80KVA), 最远最远控制距离控制距离1千米。千米。（1）效果分析序号序号井号井号冲程冲程电机功电机功率率应用直流母线前生产参数应用直

23、流母线前生产参数应用直流母线后正常生产参数应用直流母线后正常生产参数冲次冲次日液日液变压器变压器 容量容量kVAkVA冲次冲次日液日液变压器变压器 容量容量kVAkVA1DBD65-X714.83023100+200+80+500.85.11602DBD65-X726302.22.11.43.33DBD65-X774.23021.20.51.24DBD65-X744.23021.50.81.55DBD65-X754.2301.31.211.56DBD65-X604.8301.62.10.81.87DBD65-X634.83023.90.51.88DBD65-504.23031.8100+200

24、2.88.41009DBD65-X546302.66.61.55.410DBD65-X58630230.51.511DBD65-X574.23025.1100+1001312DBD65-X804.23021.80.8213DBD65-84.2302110035.48014DBD65-X654.23025.81.33.815DBD65-33.630410.61002.88.5合计50.750.71130113054.254.23403401、实现减容、实现减容70%，年节约容量费，年节约容量费，26.5万元；万元；2、群控实施调参后，冲次平均下降、群控实施调参后，冲次平均下降50%，日液增加，日

25、液增加3.5方；方；（1）效果分析（1）效果分析改造前：改造前：该区块涉及该区块涉及油井数油井数22口，开井口，开井20口，油井日液量口，油井日液量79.6方、油量方、油量44方。方。供电线路电压为供电线路电压为6kV，导线为导线为LJ-95，总长，总长7kM，涉及变压器，涉及变压器15台，总容量台，总容量1050kVA，电机，电机22台，总负载台，总负载644kW； 群控试验区（二）群控试验区（二）改造后：改造后：原高压线路原高压线路边线作为直流母线，边线作为直流母线，原电机及电缆不变。原电机及电缆不变。变压器两台变压器两台(160KVA、200KVA),群控面积群控面积3平方千米，最远控制

26、平方千米，最远控制距离距离2.7千米。千米。撬装撬装整流整流单元单元专用专用逆变逆变终端终端（1）效果分析1、实现减容、实现减容65%，年节约容量费，年节约容量费，22.5万元；万元；2、集控实施后，、集控实施后，50hz运行节电运行节电18.2%；调参运行节电；调参运行节电27%。；。；（1）效果分析系 统工 作状态变压器输入侧变压器输出侧中 间线 损（kw）电 机输 入总 功率（kw）整 体损 耗（kw）日 液（t/d）总 有功 功率（kw）总 无功 功率（kVar）吨 液有 功节 电率（%）吨 液无 功节 电率（%）综 合节 电率（%）总 有功 功率（kw）平 均功 率因数总 有功 功率

27、（kw）平 均功 率因数变 压器 总损 耗（kw）变 压器 运行 效率（%）3 0 2队工 频电 网供 电74.22 0.269 66.73 0.4197.3590.451.9864.89.4281.42 71.62 345.215.0890.8122.29直 流互 馈群 控66.23 0.902 63.58 0.9222.6296.144.7458.847.398764.83 31.19（1）效果分析五矿二队陈五矿二队陈27#站站井组井组运行运行井组总变井组总变压器容量压器容量变压器变压器有功节电有功节电率率无功节电无功节电率率综合节电综合节电率率降容费降容费状态状态（kVAkVA）二次侧二

28、次侧低压侧低压侧高压侧总高压侧总有功有功 （kWkW）平均有功平均有功损耗损耗平均无平均无（% %）（% %）（% %）（万元）（万元）功率因数功率因数有功有功（kWkW）功损耗功损耗（kWkW）（kvarkvar）陈陈2727站站改造前改造前5005000.4380.43836.2236.2237.3237.321.11.15.555.552.272.2772.6872.6818.2618.2611.4211.424 4改造后改造后1601600.8790.87935.9335.9336.4736.470.540.542.662.66（2）群控系统网测谐波测试分析系统运行模式系统运行模式井号

29、井号运行频率（运行频率（Hz）逆变器输出侧总谐波畸变率逆变器输出侧总谐波畸变率(THD%）变压器二次侧变压器二次侧总谐波畸变率总谐波畸变率(THD%）电压电压电流电流电压电压电流电流直流互馈群控变直流互馈群控变频频义义7-X13505016.8216.8213.7213.722.902.9031.7131.71义义7-X14454515.2115.2117.2117.21义义7-X17303012.5312.5316.7316.73义义7-X16474715.2215.2212.5212.52义义7-X18494917.5517.5511.2211.22义义7-X12464614.8214.8

30、210.7110.71义义7-X9484817.2317.2317.2617.26义义7-X10323212.7612.7612.2312.23单井独立变频单井独立变频义义34-X13505016.7716.7713.6813.682.622.6253.7153.71义义D34-X21454515.1815.1817.2517.253.103.1059.2359.23义义D34-X22303012.5912.5916.7116.712.912.9163.7263.72义义D34-X16474715.1615.1612.4912.492.722.7252.5452.54义义D34-X11494917.6017.6011.1611.162.812.8151.2151.21义义D34-X14464614.7614.7610.6710.672.632.6350.7550.75义义D34-X22484817.2917.2917.3117.313.243.2464.2264.221 1、直流群控系统整流器交流侧的电压谐波含量均低于、直流群控系统整流器交流侧的电压谐波含量均低于GB/T 14549-1993GB/T 14549-1993电能质量公用电网谐波电能质量公用电网谐波标准规定的标准规定的5%5%。2 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