李春陽（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

喇嘛甸油田高低壓無功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用分析

李春陽（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

喇嘛甸油田低壓無功補(bǔ)償存在功率因數(shù)低、無功補(bǔ)償效果差的問題，采用就地?zé)o功補(bǔ)償技術(shù)，功率因數(shù)可由原來的0.75～0.8提高到0.95以上，綜合節(jié)電率15%左右；針對高壓無功補(bǔ)償存在電容器損壞嚴(yán)重和更換維修不及時(shí)的問題，采用GPRS高壓無功補(bǔ)償遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，年運(yùn)行損壞次數(shù)可降低30%，并能得到及時(shí)更換維修，提高了工作人員對油井高壓無功補(bǔ)償?shù)谋O(jiān)控和管理能力，降低了線路和變壓器輸送無功功率造成的電能損耗。

高低壓無功補(bǔ)償 就地補(bǔ)償 GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù) 應(yīng)用分析

電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動(dòng)機(jī)、變壓器等，大部分屬于感性負(fù)荷，在運(yùn)行過程中電網(wǎng)須向這些設(shè)備提供相應(yīng)的無功功率。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器等無功補(bǔ)償設(shè)備以后，可以提供感性負(fù)載所消耗的無功功率，降低線路和變壓器輸送無功功率造成的電能損耗，提高線路功率因數(shù)。

1 能耗分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，用電設(shè)備每用1 kW有功功率，需要1.3 kvar無功功率配套設(shè)備。電力系統(tǒng)的無功電源主要由發(fā)電機(jī)輸出的無功功率、無功補(bǔ)償設(shè)備（移相電容器和同步調(diào)相機(jī)等）輸出的無功功率、高電壓輸電線路的充電功率三部分組成。發(fā)電機(jī)和無功補(bǔ)償設(shè)備輸出的無功功率一般占有功功率的40%～60%，高電壓輸電線路的充電功率受線路長短和電壓高低的因素影響有很大差異，因此電力系統(tǒng)無功功率中有50%需要安裝無功補(bǔ)償設(shè)備。

2011年喇嘛甸油田地面系統(tǒng)有各類型站121座，站用低壓無功補(bǔ)償總裝配補(bǔ)償容量38000 kvar，實(shí)際運(yùn)行使用率平均為58.1%，相對較低。低壓無功補(bǔ)償裝置在生產(chǎn)過程當(dāng)中頻繁出現(xiàn)電容器燒壞、繼電器損壞、無功補(bǔ)償控制器無顯示、電容器變形或漏液等現(xiàn)象，導(dǎo)致無功補(bǔ)償裝置無法進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償甚至無補(bǔ)償。具體情況見表1。

喇嘛甸油田有4045口油井，補(bǔ)償覆蓋率為51%，相對較低。由于室外的條件惡劣，油井高壓無功補(bǔ)償電容器損壞后得不到及時(shí)更換和維修，導(dǎo)致無功功率隨著電網(wǎng)遠(yuǎn)距離輸送，電網(wǎng)損耗增加。

表1 2011年站用低壓無功補(bǔ)償運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)

2 低壓無功補(bǔ)償技術(shù)分析

2.1 低壓補(bǔ)償技術(shù)現(xiàn)狀分析

目前喇嘛甸油田低壓無功補(bǔ)償采用動(dòng)態(tài)跟蹤集中補(bǔ)償方法，根據(jù)站內(nèi)電力設(shè)備運(yùn)行情況（假設(shè)單一母線為站內(nèi)所有用電負(fù)荷提供電源）和變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間30%～40%綜合考慮計(jì)算確定站內(nèi)補(bǔ)償容量，隨著負(fù)荷波動(dòng)投入相應(yīng)數(shù)量分組電容器進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方法可根據(jù)負(fù)荷變化對供電系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，但是由于功率因數(shù)隨著負(fù)荷變化而變化，導(dǎo)致功率因數(shù)偏低，平均站用電力設(shè)備功率因數(shù)在0.75～0.8之間，低于0.85的國家標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)無法為供電系統(tǒng)提供連續(xù)的無功功率，目前有30%的無功補(bǔ)償裝置存在“過補(bǔ)”和“欠補(bǔ)”現(xiàn)象，受電壓波動(dòng)、閃變和三相不平衡影響嚴(yán)重，部分無功補(bǔ)償裝置頻繁損壞。

2.2 就地?zé)o功補(bǔ)償技術(shù)

就地?zé)o功補(bǔ)償技術(shù)是針對單組電動(dòng)機(jī)進(jìn)行無功補(bǔ)償，根據(jù)單組電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)測的電壓、電流、功率因數(shù)計(jì)算選擇補(bǔ)償容量，單臺電動(dòng)機(jī)并聯(lián)于電機(jī)接線端。對同時(shí)運(yùn)行的同類多臺電動(dòng)機(jī)，可選擇電動(dòng)機(jī)組中功率大、電流大和制動(dòng)性強(qiáng)的電動(dòng)機(jī)作為并聯(lián)點(diǎn)，不一定每臺電動(dòng)機(jī)上都并聯(lián)，這樣不僅電動(dòng)機(jī)組同時(shí)補(bǔ)償，電容器組和電動(dòng)機(jī)組同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)、同時(shí)停運(yùn)時(shí)可通過電動(dòng)機(jī)繞組迅速放電。這種補(bǔ)償方法可以很大程度提高功率因數(shù)，能達(dá)到0.95以上，通過準(zhǔn)確確定補(bǔ)償容量可以避免“過補(bǔ)”和“欠補(bǔ)”現(xiàn)象，為電動(dòng)機(jī)提供連續(xù)無功功率，受電壓波動(dòng)、閃變和三相不平衡影響小[1]。在有變頻拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)中也可加入抗諧波裝置，減少諧波帶來的影響。

2.3 就地?zé)o功補(bǔ)償容量計(jì)算方法

單組電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行狀態(tài)下，以功率因數(shù)補(bǔ)償接近于l為原則計(jì)算單組補(bǔ)償容量：

式中：

Q——補(bǔ)償容量；

Un——額定電壓；

U、I——補(bǔ)償前實(shí)測的電壓電流；

cosα、tgα——補(bǔ)償前功率因數(shù)和正切值；

tgβ——補(bǔ)償后正切值。

一般情況下，電動(dòng)機(jī)自然功率因數(shù)為0.75左右，補(bǔ)償后功率因數(shù)為無限接近1，代入式（1）可得： Q≈0.5I（實(shí)測電流）。例如：某電動(dòng)機(jī)的額定功率為90 kW，額定電流為175 A，經(jīng)測試運(yùn)行時(shí)實(shí)際電流為118 A，實(shí)際電壓為264 V，功率因數(shù)為0.78，補(bǔ)償后功率因數(shù)提高到0.95，通過計(jì)算后確定補(bǔ)償容量為48 kvar，可選擇補(bǔ)償容量為60 kvar的電容器進(jìn)行補(bǔ)償。

2.4 就地?zé)o功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用方法

根據(jù)變壓器容量、負(fù)載情況、負(fù)載率及補(bǔ)償前功率因數(shù)等參數(shù)確定就地?zé)o功補(bǔ)償容量。采用干式金屬氧化膜自愈式電力電容器△聯(lián)結(jié)并聯(lián)放電電阻，加裝抗諧波無功補(bǔ)償控制器，設(shè)定自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)運(yùn)行兩種工作方式對電容器進(jìn)行投切，以便及時(shí)響應(yīng)電流超前、滯后及過電壓、欠電壓等現(xiàn)象。選擇帶熔斷器的刀開關(guān)為主開關(guān)，限制穩(wěn)態(tài)電流容量為無功補(bǔ)償電容器投入時(shí)總電流的1.43～1.55倍，支路熔斷器額定電流為電容器額定電流的2倍，并聯(lián)過電流能力強(qiáng)的調(diào)諧濾波電抗器，減少諧波對無功補(bǔ)償裝置的干擾。

3 高壓無功補(bǔ)償技術(shù)分析

3.1 高壓補(bǔ)償技術(shù)現(xiàn)狀分析

喇嘛甸油田高壓無功補(bǔ)償采用靜態(tài)分相補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ褂脝蜗嚯娙萜鞣窒喟惭b在油井變壓器三相進(jìn)行補(bǔ)償，變壓器與電容器一對一地補(bǔ)償，通過跌落保險(xiǎn)與變壓器一次側(cè)并聯(lián)。這種補(bǔ)償方法可解決線路三相不平衡現(xiàn)象，可降低補(bǔ)償容量20%，提高平均功率因數(shù)。由于室外環(huán)境惡劣，補(bǔ)償電容器易損壞，平均每年每100口井損壞次數(shù)25次，因?yàn)闆]有遠(yuǎn)傳控制顯示，所以電容器損壞時(shí)無法及時(shí)更換維修。

3.2 GPRS高壓無功補(bǔ)償遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

該技術(shù)是通過GPRS模塊將無功補(bǔ)償裝置現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜刂鞅O(jiān)控器上進(jìn)行處理和顯示，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行情況遠(yuǎn)程監(jiān)控和補(bǔ)償裝置故障判斷。本地技術(shù)人員也可以利用GPRS無線通信技術(shù)（可實(shí)現(xiàn)1 km內(nèi)無障礙數(shù)據(jù)傳輸）對高壓無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作。GPRS高壓無功補(bǔ)償遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)傳輸過程：高壓無功補(bǔ)償現(xiàn)場數(shù)據(jù)經(jīng)過加密、壓縮處理后，通過串行方式連接到GPRS通訊模塊上，與基站（SGSN）進(jìn)行數(shù)據(jù)無線傳輸，SGSN再與網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）進(jìn)行通信，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)把分組數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器（GSN）進(jìn)行相應(yīng)處理，再由GSN把處理后數(shù)據(jù)發(fā)送到內(nèi)部網(wǎng)（CMNET），最后GPRS終端提取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并通過模擬軟件顯示在遠(yuǎn)程監(jiān)控器上，最終達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的[3]。

3.3 GPRS高壓無功補(bǔ)償遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用方法

GPRS遠(yuǎn)程終端主要由控制器和GPRS模塊構(gòu)成，高壓無功補(bǔ)償控制器將現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS模塊，經(jīng)過加密和容錯(cuò)處理后，將資料發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器端基于TCP/IP協(xié)議與GPRS終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本地服務(wù)器向GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)召喚命令，GPRS模塊收到命令并進(jìn)行校驗(yàn)后向服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，包括現(xiàn)場的系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信息等。

用戶通過監(jiān)控軟件可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整高壓無功補(bǔ)償裝置的參數(shù)，通過GPRS模塊將修改后的參數(shù)值傳遞給高壓無功補(bǔ)償裝置，對支路進(jìn)行投切控制。在功率因數(shù)統(tǒng)計(jì)畫面可觀察到電網(wǎng)功率因數(shù)在最近一段時(shí)間內(nèi)的變化趨勢，包括三相總的功率因數(shù)變化顯示和A、B、C三相的功率因數(shù)變化，由此可判斷負(fù)載的整體運(yùn)行情況，三相是否平衡等。當(dāng)現(xiàn)場的補(bǔ)償裝置出現(xiàn)故障時(shí)，可通過基站信號的變化曲線進(jìn)行報(bào)警，通過監(jiān)視圖可直觀地查看到具體是哪個(gè)電容器出現(xiàn)故障，并立即通知現(xiàn)場人員對其進(jìn)行檢測、維修和更換。

4 應(yīng)用情況

目前就地?zé)o功補(bǔ)償技術(shù)已在喇嘛甸油田投入應(yīng)用，以其中一個(gè)污水站的升壓泵電動(dòng)機(jī)為例，額定功率90 kW，額定電流166 A，現(xiàn)場測試實(shí)際運(yùn)行的電流為129.5 A，電壓為248 V，功率因數(shù)為0.75。補(bǔ)償后功率因數(shù)提高到0.95以上，經(jīng)過計(jì)算補(bǔ)償容量為64.8 kvar，則選擇補(bǔ)償容量為70 kvar的電容器。補(bǔ)償前后各參數(shù)數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 就地補(bǔ)償技術(shù)實(shí)施前后各參數(shù)數(shù)據(jù)對比

從表2可以看出，就地補(bǔ)償技術(shù)實(shí)施后功率因數(shù)達(dá)到0.98，與集中補(bǔ)償相比有功功率下降9.8%，無功功率下降69.8%，運(yùn)行電流下降9.8%，綜合節(jié)電率為15.2%。

GPRS高壓無功補(bǔ)償遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)在油田100口井應(yīng)用，平均4口井架設(shè)一個(gè)基站。目前累計(jì)運(yùn)行1年，損壞8次，并得到了及時(shí)維修，減少損壞次數(shù)30%，提高了工作人員對油井高壓無功補(bǔ)償?shù)谋O(jiān)控和管理能力。

5 結(jié)束語

就地?zé)o功補(bǔ)償技術(shù)可對站內(nèi)主要負(fù)載進(jìn)行就地補(bǔ)償，設(shè)備的功率因數(shù)達(dá)到0.95以上，補(bǔ)償效果明顯，安裝條件簡單，具有較大的節(jié)能潛力。該技術(shù)在喇嘛甸油田應(yīng)用，理論上可取消站內(nèi)集中補(bǔ)償?shù)耐度耄瑴p少投資成本，增加可利用空間，方便以后安裝各類型變頻柜和其他電氣裝置。

GPRS高壓無功補(bǔ)償遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)是基于網(wǎng)絡(luò)傳輸和自動(dòng)反饋理論的技術(shù)，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程錄取數(shù)據(jù)功能，提高了工作人員對高壓無功補(bǔ)償裝置的管理能力。由于老油田平均井距較短，可以多口井架設(shè)一個(gè)基站，減少投資成本。

隨著油田產(chǎn)能的變化，控制成本、節(jié)能降耗成為未來發(fā)展的趨勢。無功補(bǔ)償裝置作為節(jié)能設(shè)備的一部分，選擇正確的補(bǔ)償方式可以較大程度減少油田的電力損失。

[1]陳會(huì).低壓異步電動(dòng)機(jī)就地?zé)o功補(bǔ)償?shù)暮锰幖翱尚行訹J].工業(yè)技術(shù).2011,20（5）:18-19.

[2]李曉峰,韓有婕.就地?zé)o功補(bǔ)償?shù)木C合效益分析[J].廣東化工.2010（7）:15-16.

[3]孔寧.基于GPRS的高壓無功補(bǔ)償遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].人工智能與識別技術(shù).2011(6):25-26.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.02.007

李春陽，2007年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院，從事節(jié)能工作，E-mail：lichunyang1@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶油田第六采油廠規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所，163712。

2011-11-20)