劉 勇，張延軍，曹 兵

（中國(guó)石油西部鉆探吐哈鉆井公司，新疆鄯善 838200）

0 引言

節(jié)能發(fā)電機(jī)技術(shù)在吐哈鉆井公司各井隊(duì)相繼配套應(yīng)用。經(jīng)過幾年的使用，現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)節(jié)能發(fā)電機(jī)普遍存在的一些問題，影響到節(jié)能發(fā)電機(jī)的使用和鉆井安全。主要表現(xiàn)在發(fā)電電壓和頻率波動(dòng)較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了節(jié)能發(fā)電機(jī)和供電器件的承受范圍，極易導(dǎo)致跳閘和電器元件燒損。

因?yàn)楣?jié)能發(fā)電機(jī)額定頻率和額定電壓與柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。一般發(fā)電機(jī)的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)恒定，電源電壓、頻率恒定。鉆井用柴油機(jī)通過聯(lián)動(dòng)機(jī)在帶動(dòng)節(jié)能發(fā)電機(jī)的同時(shí)還要帶絞車和泥漿泵運(yùn)轉(zhuǎn)，所以節(jié)能發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)因?yàn)槟酀{泵的啟停波動(dòng)，特別是在起下鉆工況或啟動(dòng)泥漿泵等大型設(shè)備時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍較大，因此節(jié)能發(fā)電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境相對(duì)惡劣。造成發(fā)電電壓在320～430 V、頻率在45～54 Hz 波動(dòng)。節(jié)能發(fā)電機(jī)安裝如圖1 所示。

圖1 節(jié)能發(fā)電機(jī)安裝

1 現(xiàn)狀及節(jié)能發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓、穩(wěn)頻裝置研究

節(jié)能發(fā)電機(jī)在使用過程中頻繁跳閘。在使用節(jié)能發(fā)電機(jī)時(shí)，因?yàn)椴裼蜋C(jī)通過聯(lián)動(dòng)機(jī)還要帶絞車和泥漿泵運(yùn)轉(zhuǎn)，所以節(jié)能發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)因?yàn)槟酀{泵的啟停波動(dòng)。在起下鉆作業(yè)、雙泵作業(yè)、深井段作業(yè)，以及復(fù)雜井、探井作業(yè)時(shí)，節(jié)能發(fā)電機(jī)不能保證井場(chǎng)正常用電和井下安全，均處于停置狀態(tài)。以柯克亞和玉果區(qū)塊為例，50561 隊(duì)和50562 隊(duì)在二開2000 m 以后就停用節(jié)能發(fā)電機(jī)，采用兩臺(tái)440 kW 康明斯發(fā)電機(jī)并機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，僅僅兩臺(tái)康明斯發(fā)電機(jī)組每天的油耗就要3 t 左右。再加上12 V190 的燃油消耗，每天油耗要在5～5.6 t。每個(gè)臺(tái)月油耗在150 t 左右。由于50LDB 原廠設(shè)計(jì)配置的節(jié)能發(fā)電機(jī)在大多數(shù)工況都無法正常運(yùn)行，基本處于停置狀態(tài)，50LDB 鉆機(jī)成了“油老虎”。

由于節(jié)能電發(fā)機(jī)存在著頻率和電壓不穩(wěn)這一致命問題，節(jié)能發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)效很低。為了保證節(jié)能發(fā)電機(jī)的正常使用、節(jié)能降耗、保護(hù)電氣設(shè)備的目的，研制、應(yīng)用節(jié)能發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓、穩(wěn)頻裝置。節(jié)能發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓、穩(wěn)頻裝置存在以下難點(diǎn)：①使用國(guó)產(chǎn)電源逆變單元核心元件，其逆變技術(shù)，穩(wěn)定電壓、頻率的效果不理想；②使用普通的正弦濾波器、變壓器，其濾波效果比較差，輸出電壓和頻率波動(dòng)比較大。

2 穩(wěn)壓、穩(wěn)頻電源設(shè)計(jì)方案及配置

電源逆變單元核心件采用進(jìn)口元件，并采用當(dāng)今最新逆變技術(shù)和最先進(jìn)的工藝技術(shù)，所有PCB 電路板采用涂層固化處理；正弦濾波器、輸出變壓器采用整體真空浸漬絕緣漆和噴涂高溫防護(hù)漆處理，具有較高的絕緣級(jí)別和防護(hù)能力。輸入電壓及范圍：380 V±30%（265～490 V）；3Φ4W+G；輸入頻率及范圍：50 Hz±30%（30～80 Hz）；功率因數(shù)：≥0.8；輸出額定線電壓及頻率：380 V±0.5%；輸出頻率及范圍：50 Hz±0.01%。穩(wěn)壓、穩(wěn)頻裝置是一種成熟的電源裝置?？梢员ＷC在額定電壓3 相380 V允許波動(dòng)范圍323～528 V，動(dòng)態(tài)反應(yīng)速度快，負(fù)載0～100%變化時(shí)，穩(wěn)態(tài)反應(yīng)時(shí)間≤20 ms。使用該裝置可以使井場(chǎng)電源穩(wěn)定在400 V、50 Hz。內(nèi)部設(shè)計(jì)方案如圖2 所示。

圖2 內(nèi)部設(shè)計(jì)方案

該方案采用了先進(jìn)的正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）IGBT 高頻逆變技術(shù)，內(nèi)部交—直—交結(jié)構(gòu)，徹底清除電網(wǎng)干擾。經(jīng)交—直—交變換后輸出波形純凈的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻高品質(zhì)電力，保證了裝置始終能夠向負(fù)載提供高質(zhì)量的交流電源，達(dá)到穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、抑制浪涌、尖峰、電噪聲等。電氣控制原理如圖3 所示，平面布置如圖4 所示。

圖3 電氣控制原理

圖4 平面布置

變頻裝置產(chǎn)生諧波電流，對(duì)系統(tǒng)可產(chǎn)生較大的影響，不僅會(huì)產(chǎn)生較大的發(fā)熱損耗，而且會(huì)加速電氣設(shè)備的絕緣老化，特別是對(duì)電纜、變壓器運(yùn)行非常不利。此外，產(chǎn)生諧波嚴(yán)重時(shí)，也會(huì)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)和保護(hù)裝置產(chǎn)生干擾，使其誤動(dòng)作，影響電網(wǎng)的正常安全運(yùn)行，通過應(yīng)用無功補(bǔ)償裝置，可減少無功功率，提高功率因數(shù)，有效降低發(fā)電機(jī)能耗。切換方式如圖5 所示。

圖5 切換方式

發(fā)電機(jī)功率800 kW、電壓0.4 kV，配置有1 臺(tái)TZQF 消諧無功補(bǔ)償裝置，TZQF 消諧補(bǔ)償裝置安裝總?cè)萘繛?48 kVar，TZQF 裝置安裝有5 組濾波支路，分別是3 組5 次濾波支路和2組7 次濾波支路，投切方式為全自動(dòng)運(yùn)行。

3 實(shí)際應(yīng)用情況

（1）實(shí)現(xiàn)電壓及頻率穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)。節(jié)能發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓、穩(wěn)頻裝置是為調(diào)節(jié)節(jié)能發(fā)電機(jī)頻率，保護(hù)電器設(shè)備而設(shè)計(jì)制作。穩(wěn)壓、穩(wěn)頻裝置可以保證在額定電壓3 相380V 允許波動(dòng)范圍323～528 V，動(dòng)態(tài)反應(yīng)速度快，負(fù)載0～100%變化時(shí)，穩(wěn)態(tài)反應(yīng)時(shí)間≤20 ms。使用該裝置可以使井場(chǎng)電源穩(wěn)定在400 V、50 Hz。

（2）濾除諧波電流。TZQF 消諧補(bǔ)償裝置投運(yùn)后，有效濾除了大量的諧波電流，使主要的5、7、11 次諧波電流由87.1 A、32.2 A，13.7 A 降低為8.6 A、3.4 A，0.7 A，注入系統(tǒng)的諧波電流已控制在國(guó)標(biāo)要求范圍內(nèi)。

（3）改善諧波電壓畸變。TZQF 消諧補(bǔ)償裝置投運(yùn)后，諧波電壓畸變得到了很大的改善，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的低壓側(cè)電壓波形總畸變率由未投時(shí)的13.2%降低至1.5%以下（國(guó)標(biāo)小于5%）。各次諧波電壓含有率在國(guó)標(biāo)要求的允許范圍內(nèi)?？梢姡瑸V波裝置的投運(yùn)效果非常顯著。改善前、后的電壓波形如圖6 所示。

圖6 改善前后的電壓波形

（4）有效提高發(fā)電機(jī)功率因數(shù)。TZQF 消諧補(bǔ)償裝置投運(yùn)后，功率因數(shù)也得到了很好的補(bǔ)償，變壓器低壓側(cè)的功率因數(shù)從0.48 提高至0.95 以上，負(fù)荷電流減少56～120 A，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

（5）優(yōu)化動(dòng)力組合，降低柴油消耗。通過動(dòng)力系統(tǒng)的升級(jí)改造，可根據(jù)實(shí)際工況更為合理地優(yōu)化機(jī)組配置，在負(fù)載較輕時(shí)啟用1 臺(tái)小功率柴油機(jī)，中等負(fù)載下啟用1 臺(tái)1300 kW 柴油機(jī)，負(fù)載較重時(shí)啟用1 臺(tái)大功率柴油機(jī)和1 臺(tái)小功率柴油機(jī)并機(jī)使用，讓動(dòng)力機(jī)組在滿足鉆井負(fù)荷的同時(shí)剛好有富余功率來驅(qū)動(dòng)節(jié)能發(fā)電機(jī)供電，做到最大限度控制和使用富余功率。通過優(yōu)化動(dòng)力組合減少柴油機(jī)啟用臺(tái)數(shù)，降低了柴油消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能發(fā)電機(jī)的最大限度節(jié)能。

2019 年8 月，吐哈鉆井公司在玉105 開始現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用國(guó)內(nèi)第一臺(tái)節(jié)能發(fā)電機(jī)1000 kV·A 的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻裝置。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試：在不同工況下柴油機(jī)轉(zhuǎn)速基本在900～1300 r/min 范圍內(nèi)波動(dòng)，穩(wěn)壓、穩(wěn)頻裝置24 h 連續(xù)工作輸出電壓400 V，輸出頻率50 Hz。杜絕了因?yàn)椴裼蜋C(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)而造成的供電系統(tǒng)跳閘，節(jié)能發(fā)電機(jī)全井、全工況正常運(yùn)轉(zhuǎn)。兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組均處于停運(yùn)狀態(tài)。從玉105 和溫10 井的應(yīng)用效果證明：該裝置性能穩(wěn)定，節(jié)能效果良好。從跟蹤的油料消耗數(shù)據(jù)顯示：雖然柴油機(jī)的燃油消耗有所增加，但相對(duì)于運(yùn)行兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，大大降低了燃油消耗。在節(jié)能發(fā)電機(jī)上投用穩(wěn)壓、穩(wěn)頻裝置后，節(jié)能發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，在各種工況下均可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，充分發(fā)揮了技術(shù)優(yōu)勢(shì)，單井油耗降低15%～20%，推廣和應(yīng)用節(jié)能發(fā)電機(jī)項(xiàng)目一部鉆機(jī)每年可以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益228 多萬元，在一年內(nèi)可收回投資成本并創(chuàng)收60 萬元。