滤波补偿节能装置在石油钻井工程中的开发与应用

宋颖 王凤臣 高志和 许立华

（中国石油集团渤海钻探工程有限公司，天津 300457）

一、引言

电驱动直流钻机在石油钻井行业中的应用日益广泛。但由于直流电机在工作中需要进行交直流变换，会产生27%以上的谐波分量，谐波会对供电系统造成严重污染，并对钻井井场用电设备形成干扰，导致一些精密设备无法正常工作；同时“谐波污染”使得电驱动系统功率因数保持在0.5左右的低运行状态,大量电流被无功消耗，发电机功率不能得以充分利用，造成“出工不出力”现象，能耗居高不下，设备投入增加，能耗上升。

二、滤波补偿装置使发电机“无功耗能”难题迎刃而解

滤波补偿顾名思义，“滤波”是指无源滤波器对电网产生的谐波进行过滤吸收，以减少注入电网的谐波电流，提高发电机的供电质量；“补偿”则是指谐波治理过程中，能够提供容性无功，进行自动功率补偿，提高供电系统的功率因数，改变因功率因数低而造成的高耗能，使设备一直处于良好的经济运行状态。根据这一原理，在直流电动钻机上，开发应用滤波补偿节能装置，用来补偿系统无功功率，抑制谐波电流，可减少柴油发电机开启台数，降低柴油消耗量，从源头控制设备耗能，其节能空间很大。

我公司与生产厂家联合开发试用滤波补偿节能装置，投入生产后，既有效的吸收谐波电流，改善电能质量；又能进行动态无功补偿，提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，抑制振荡，解决了生产中发电机“无功耗能”的难题。

三、滤波补偿装置基本原理和性能

（一 ）基本原理图

滤波补偿装置是专门针对电动钻机设计的，它采用无源滤波补偿装置和TCR相控电抗器组成，无源滤波补偿装置设置6个5次滤波支路、2个7次滤波支路和2个11次滤波支路，总安装容量为4500KVAR,基波补偿容量为2300KVAR。装置采用TFC快速无冲击投切技术，响应时间为0.01秒—3秒可调，并且可以实现无放电间隔重复快速投入。各支路分别设置专利生产的微机保护装置，用于可靠的切除滤波器故障，保证系统稳定运行。

（二 ）装置基本原理图

（三 ）主要性能

1.谐波治理过程中提供容性无功，进行自动功率补偿，最大限度提高功率因数，使设备始终处于良好的经济运行状态，达到节能减排的最佳效果。

2.无源滤波器对电网产生的谐波进行吸收，以减少注入发电机组的谐波电流，提高发电机的安全可靠性。

3.根据钻井作业工况，实现自动快速投切控制。

4.有效进行谐波治理和无功快速跟踪补偿，使得钻机负荷具有直接接入电网的功能。

（四 ）主要设备技术参数

1.额定电压：600VAC，50Hz;

2.额定容量：2345kvar；

3.整体功耗：＜3W/kvar;

4.保护功能：短路保护，可控硅超温保护，电抗器超温保护，过压过流保护，欠压保护，雷击保护等；

5.动态响应：动态补偿，可控硅过零高速投切，投切无冲击、无震荡、无过渡过程，动态响应时间小于20 ms；

6.功率因数：补偿值在0.92～1之间；

7.滤波效果：电能质量满足GB/T14549-93的要求；

8.环境温度：-300C～+550C；

9.相对湿度：＜90%（+200C 时），空调具有除湿功能。

10.试验达到效果：

●功率因数从原来0.5左右，提高到0.92以上；

●补偿容量大小，根据负荷的变化自动投切；

四、探索实践滤波补偿装置节能功效

为了验证无功补偿与滤波装置在提高钻机电气系统功率因数，抑制系统谐波和降低柴油发电机组能耗三个方面的有效性能，我们在一部7000米直流电动钻机上试用了滤波补偿节能装置，分时段进行了手动投切对比试验。监测记录投用前后，滤波补偿装置对钻机电气系统的电压、电流、谐波电压、谐波电流、功率、功率因数等电量参数和柴油发电机耗油情况，并对采集数据进行对比分析（见表一）。

表一 2009年使用滤波补偿装置分时段测试数据对比表

测试结果：无功补偿与谐波抑制系统进行投切前后对比，其节能率平均提高16.24%，与未投切前对比，万度电耗油下降0.55方，降幅16.42%。数据统计分析得出，在滤波补偿工作时，外界没有直流电机运转时,滤波补偿自动切除，此时供电系统的功率因数不会提高；当直流电机运行或直流电机负荷比较大时，滤波补偿装置自动投入，迅速将供电系统的功率因数提高到0.99，这时柴油消耗量减少明显。滤波补偿装置投入时间越长，节油效果越明显，如“双泵钻进或双泵大排量循环”数据显示节能效果非常明显，节能率在9.92%~27.29%之间，平均节能率16.24%；反之越低。如表中：起下钻、下套管和候凝数据显示，外界直流电机负荷非常轻时，滤波补偿器一天自动投入时间很少或不自动投入，也就没有明显的节能效果（见表二）。

表二 无功补偿与谐波抑制系统投切前后，发电机组总输出值对比表