油田电力配变网络优化及节能分析

杨 彬黄 嵩徐 涛

1.中国石油新疆油田分公司 重油开发公司 （新疆 克拉玛依 834000）2.中国石油工程设计有限公司 新疆油建公司 （新疆 克拉玛依 834000）

油田电力配变网络优化及节能分析

杨 彬1黄 嵩1徐 涛2

1.中国石油新疆油田分公司 重油开发公司 （新疆 克拉玛依 834000）2.中国石油工程设计有限公司 新疆油建公司 （新疆 克拉玛依 834000）

针对新疆油田六、九区配电电网与负荷的不合理分配、配电变压器负荷率偏低、网损率不达标等现状，分别从提高变压器的负载率、运行效率、变压器优化组合配置和应用新型节能变压器等方面进行分析并提出具体改进措施。油区变压器的改造实践效果表明，相应措施均取得了可观的经济效益，达到了节能目的，对油田油区电网大规模改造和经济运行及管理具有重要意义。

配变网络 配置优化 节能

中国石油新疆油田分公司（以下简称新疆油田）六、九区属于稠油区块，油田生产发展模式为滚动开发，稠油开发周期短，决定了配套电力设施的建设预留容量余地大，增容不增变。配网与负荷分配不合理、配电负荷率偏低、网损率不达标的问题造成了油田配电线路功率因素过低、线损过大，使配电网成为油田自身的耗能大户。针对新疆油田六、九区电力系统现状，提出了优化电力配变网络，调容增效，降低输电损失；优化配置无功补偿，达到提高输配电效率，降低原油生产成本的目的。

对油区配电变压器进行调容增效、优化运行就是指在保证电网安全运行和电压质量的基础上，进行变压器优化配置、减变调容、无功功率补偿,使配变自耗减少，提高变压器负载率、减少其空载损耗。六、九区油田电网配变优化运行节能降耗措施的推进，经过一年多的实验改造，电网的经济运行能力得到提高，注汽系统吨汽耗电、采油吨液耗电都有了一定的下降。

1 设备概况及用电负荷情况

新疆油田六、九区稠油油藏，其主要分布在上侏罗统齐古组。六、九区齐古组浅层稠油油藏自1984年发现并投入开发。随着稠油开采规模的不断扩大和开井数的不断下降，稠油开采的成本压力越来越大。以2010年度为例，消耗电量约占公司全年生产成本的45%，其中电耗占稠油开采能耗的15%左右，相应的供配电设施建设也暴露出许多问题。因此对电力系统的节电降耗技术进行研究,提高六、九区电网经济运行能力,降低稠油热采的电耗势在必行。

1.1 油区用电负荷运行特点

稠油开采用电负荷根据运行特点可分为3大类。①抽油机负荷[1]。此类负荷是一种依抽油机的冲程作周期性变化，即在一个周期内每时每刻的负荷是不同的，就重油公司而言这类负荷约占生产用电总负荷的43%。②连续性负荷。包括各种水泵、油泵在内的各类连续性负荷的运行特点是电动机起动后负荷基本不变，就重油公司而言这类负荷约占生产用电总负荷的53%以上。③照明、生活类负荷。此类负荷也是基本不变的。

稠油开采过程中，机械采油占公司原油生产井数的95%以上，油田配电网复杂。由于油田设备多采用感应电动机作动力，特别是抽油机电动机在交变负荷状态下运行，其工作效率和功率因数很低，由此导致配电网功率因数很低。其自然功率因数一般都在0.45以下。在同等有功负荷的情况下，随着功率因数的降低，配电线路电压降增加，其电流有效值成倍增长，这不仅加大了配电线路及变压器的损耗，也影响了配电系统的供电质量及供电能力。大量无功电流会加重输电线路和变压器的负荷，产生无功网损，网损率在10%～14%，影响油田电网系统的经济性[2，3]。通过对全公司机械采油配电线路的系统调查发现，配电网在运行中主要存在高耗低效的问题。

1.2 机采线路出口功率因数偏低原因分析

抽测145口结果表明，抽油机电机负载率25%，平均功率因数0.317，电能浪费很大。电网电容器无功补偿不足，使得用户端功率因数明显偏低。

1.3 电网损耗率偏高原因分析

（1）负载变压器平均负载率21.77%,明显偏低；

（2）SL7、S7系列高耗低效型配电变压器多达247台；

（3）配电变压器与实际负荷相差过大，使变压器运行远离其经济负荷区，造成变压器空载损耗过大，其空载损耗占总损耗的70%～80%。

2 油区电网配变节能降耗研究

2.1 变压器的负载与损耗的关系

变压器经济运行是在传输电量相同的条件下，通过择优选取最佳运行方式和调整负载，使变压器电能损失最低。所以，变压器经济运行需要加强供、用电科学管理，即可达到节电和提高功率因数的目的。在电力系统中变压器是利用效率最高的电气设备之一，一般中、小变压器都可达96%～98%。在电力系统中，累积变压器的总损耗可占20%～25%。变压器的有功功率损耗是由空载损耗和负载损耗2部分组成的。空载损耗是一个常数，它不随变压器负载的变化而变化，而负载损耗则与变压器负载的平方成正比[4]。

2.2 空载损耗IO

当变压器在额定电压下二次侧空载时，一次绕组中通过的电流IO称为空载电流。因为空载电流IO仅起励磁作用，所以又称励磁电流。空载损耗包括铁芯中磁滞和涡流损耗及空载电流在初级线圈电阻上的损耗，前者称为铁损，后者称为铜损。由于空载电流很小，后者可以略去不计，因此，空载损耗主要指铁损[5～7]。

2.3 负载损耗PK

负载损耗是指变压器初、次级线圈中电流在电阻上产生的铜损耗及励磁电流在励磁电阻上产生的铁损耗。当电流为额定电流时，后者很小，可以不计，故主要是电流在初、次级线圈电阻上的铜损。把变压器的2次绕组短路，在1次绕组额定分接头位置上通入额定电流，此时电力变压器所消耗的功率PK称为负载损耗[5]。

2.4 配电变压器的经济运行及容量的选择[8]

（1）合理选择变压器的类型，即使用节能型变压器，即S11系列以上的变压器。

（2）合理选择变压器容量Se。

（3）对于安装有2台变压器的场所，应根据变压器现有的技术参数，结合实际负载情况，合理选择变压器运行方式，能够实现变压器的经济运行，减少变压器的有功功率损耗。

（4）对于配电变压器容量的选择，根据用电负载的特殊情况，应该结合实际，通过对计算变压器的有功电能损耗进行比较，合理选择配电变压器的容量及台数。

3 油配变节能降耗的技术措施

针对新疆油田九区生产现场目前油区配变轻载或空载现象普遍，功率因素极低，运行非常不经济的情况，通过对现场进行调查及跟踪研究，在满足目前技术要求的前提下，本着少投入、减少单耗、经济运行、安全生产等原则，改善配变的运行方式。对负载率比较低的配变，采取“撤、换、并、停”等方法，使其负载率提高到最佳值，从而改善电网的自然功率因数。2010年、2011年从变压器调容、高压无功补偿、淘汰高耗能变压器等方面陆续进行改造。

3.1 优化调整负荷，降低铜损

用电负荷波动幅度与线路损耗功率有关。在相同的用电条件下,用电负荷平稳损耗电量小,用电负荷波动幅度大,线路损耗也大。因此,合理调整负荷,可以降低损耗,提高负荷率。包括：①提高变压器的经济运行效率,使变压器的损耗最小、效率最高。一般情况下,变压器的经济负荷在变压器额定容量的70%～75%。②及时停用轻载或空载变压器,以适应负荷的变化,有效减少电能的损耗。

3.1.1 配变调整减容依据

造成油田电网功率因数偏低、损耗大主要有以下几方面的原因：①油田按“滚动模式”开发不可能在开发初期完全摸清地下情况，无法预测未来负荷状况，因此无法对开发后期的配电网络进行整体规划；②由油田电网自身特点决定的，油田电网中的感应电动机和配电变压器数量庞大，轻载现象严重，决定了电网自然运行功率因数低（见表1）。

表1 配电网实际运行与计算机计算数据比较

从节能降耗观点来看，目前油田配电网中的变压器存在着2方面的问题，多数配变不在其经济负荷区运行，调整配变容量使工作在经济负荷区或更换节能变压器是油田配电网节能降耗的途径之一。

3.1.2 具体措施

为降低吨油耗电成本，提高电网运行的经济性、减少系统损耗、降低线损率（网损率）。根据公司整体安排，先后对6条6.3kV线路实施配变调整。2010年对六区北线进行了变压器调容改造，减容4 005 kVA。2011年，九井一线、九井三线、六东中、西线、九三线共计5条6.3kV线路上变压器进行负荷优化调整。减容23 797kVA，减少S7系列变压器210台。

考虑到今后躺扶井，计关井需要恢复，因此主要采用变压器调整合并方式进行，尽量以网状供电，低压线路供电半径小于500m,将现有负荷配置到合并变压器上，负载率设计70%～75%左右，留余量20%，既要提高经济效益，又要保留现有抽油机供电。2a累计减容26 461kVA，经济效益显著。

调整后的有功电量对比分析数据如表2所示。从表2可看出，调整/更换配变容量使其工作于经济负荷区，不仅降低了配变损耗，而且也使线损降低。这主要是由于调整/更换配变容量后，变压器所消耗的无功功率也相应减少，因而导致线损降低。从这一点看来，把配变更换为节能型变压器后会使线损的降低更明显。

3.1.3 经济效益估算

（1）容量费计算：

26 461kVA×19.66 元/月=52.02 万元/月

（2）自耗电计算：

26 461kVA×2%×24h×30d×0.58 元=22 万元/月

（3）整体效益：

通过分析,6条线路年减少运行费用合计888.24万元,其中基本容量费52.02元×12月=624.24万元；自耗电量电费：22万元×12月=264万元。

表2 调整后有功电量对比统计

3.2 应用非晶合金节能变压器，降低变压器铁损

变压器铁损是一种固定的损耗，主要与变压器自身特性有关，因此，为降低变压器的铁损，推广高效率、低损耗的节能型变压器意义明显。设备更新的目的不单纯是消除其有形磨损，更是为了消除其无形磨损。只有不断更新的途径才能从根本上使设备损耗降低、效率提高，改善技术落后状况[1]。更新变压器必然会带来有功电量和无功电量的节约。但要增加投资，这里也存在一个回收年限的问题。变压器不是损坏后才更新，而是老化到一定程度，还要有一定剩值时就可以更新。变压器厂家对各种不同型式、不同容量的变压器的使用寿命都有规定，一般为20a。使用单位按这一规定年限提取设备折旧费，并进行变压器更新。

3.2.1 现状分析

油区投产初期，变压器设计余量大，部分供热站所带的集输站、低压锅炉房等早已废弃多年。采用节能变压器，逐步淘汰老旧的高耗能变压器。淘汰下来的变压器由厂家回收、拆解利用，抵消部分改造成本。非晶合金系列变压器空载损耗较S7系列平均降低34%，负载损耗平均降低51%。年运行成本较S7系列平均下降40%～45%。S7系列变压器运行中负载率低，空载损耗严重，噪声振动大，内部绝缘降低，已失去大修意义（见表3）。

公司5#供热站现有配电变压器4×1 600kVA，总变容量6 400kVA，日常运行2台备用2台，运行变容量3 200kVA。经核实近几年，该站锅炉运行最多在9台次左右，实际最大运行负荷在1 700kW左右，造成变压器严重偏移其经济负荷区，且SL7型高耗能变压器，空载、负载损耗大，负载能力小。供热站类似情况还有6#、7#、9#供热站，采油作业区有在用SL7型高耗能变压器280余台。

3.2.2 非晶合金电力变压器的性能特点

非晶合金变压器是采用新型导磁材料—非晶合金带材来制作铁心的新型高效节能变压器。它是以铁、硼、硅、钴和碳等元素为原料，用急速冷却等特殊工艺使内部原子呈现无序化排列的合金。

非晶合金变压器的最突出的特点就是空载损耗和空载电流非常小，SH15型非晶变比用硅钢片作为铁心的S9型变压器空载损耗下降70%以上，空载电流下降约80%，是目前节能效果非常好的配电变压器。

全充油密封型非晶合金电力变压器的原理同密封型电力变压器。非晶合金是一种向同性的软磁材料，磁化功率小，不存在阻碍畴壁移动的结构缺陷，厚度极薄，只有0.027mm，填充系数相应变小，只有0.75～0.8，电阻率很高，是硅钢板的 3～6倍，硬度是硅钢片的5倍，非晶合金材料对应力特别敏感。SH15-M-30-1600/6-10系列产品负载损耗在GB/T 6451标准值基础上下降15%，空载损耗在GB/T 6451标准组I值基础上下降70%。

3.2.3 具体措施

根据上述分析，应用SBH15-M非晶合金系列节能变压器，对 5#、6#、7#、9# 供热站 1 600kVA、1 250kVA 和 油 区 160kVA、125kVA、100kVA 等SL7、S7型配电变压器进行节能、节电技术改造,提高设备新度系数、运行效率；降低变压器损耗及电网线路损耗，充分挖掘油区电网的节能潜力。共计应用55台，其中供热站站区配变15台，采油区队机采配变40台（见表4）。

3.2.4 效益估算

（1）基本容量费：

6 200kVA×19.66元/月×12月=146.3万元；

表3 供热站变压器配置情况

表4 5#供热站变压器改造前后后的实测运行数据

（2）变压器空载、负载损耗电费 ：

8 760h×3%×0.58 元/kVA×6 200kVA×0.534 2=50.5万元。

投资301万元，年直接降低费用196.8万元，1.5a可收回全部投资。

4 科学管理、高效运行

电网配变经济运行管理是个系统性的工作，如果只从部分或局部开展工作，是达不到经济运行目的，因而要提高电网的经济运行水平，必须系统地分析管理，不同的问题提出不同的有效方案，采取不同的措施，通过加强科学的系统管理，来实现变压器经济运行的目的。

（1）努力改变只保产量不问效益的开发经营管理模式和粗放的管理方法，细化吨油耗电成本核算，优化配网配变结构，适时开展效益评价工作，实现投资效益最大化的目标。

（2）建立有技术负责人参加的线损管理队伍，定期进行线损分析，及时制定降损措施实施计划；推广理论线损在线测量，及时掌握网损分布和薄弱环节；制定切实可行的网损率计划指标。

（3）加强用电的效能监察，完善考核约束和激励机制，及时调整设备运行工况。

（4）搞好电网改造工作，使网络布局趋于合理，运行处于经济状态；加强计量管理，落实有关规程。

5 应用效果评价

2010年、2011年，在公司电力系统节能改造项目组及前线各单位的共同努力下，通过对电网各种参数的测试，开展线损分析，制定最佳的降耗措施取得了良好的经济、社会效益。

推广应用了适合油田电网现状的配变调容、更新高耗能变压器。2a共计减容26 461kVA，油区变容量由184 247kVA减少到 151 586 kVA；拆除S7系列变压器210台，更新了55台非晶合金节能变压器，提高了设备新度系数。通过上述技术研究和推广应用，新疆油田六、九区电网经济运行得到大幅的改观。

在经济效益方面，2010、2011年油田配变优化调整共计投入858万，截止2011年节约的电费为432.4万元。具体如下：

（1）变压器调整减容，节约基本电费支出352.3万元。

式中 J—节约基本电费；

P—基本容量费；

R—减少的变容量；

T—时间（改造完成时间不同）。

J1=4 005kVA×23 元/kVA/月×14 月=129(万元)

J2=19 876kVA×23 元/kVA/月×4 月=182.9(万元)

J3=8 780kVA×23 元/kVA/月×2 月=40.4(万元)

J=J1+J2+J3=352.3（万元）

（2）变压器负荷损耗、空载损耗节约电费80.1万元

式中 Q—自耗电费；

D—电费单价；

R—减少的变容量；

T—时间（改造完成时间不同）。

2%—变压器自耗率；

综上所述,2a来节约费用432.4万元。

在社会效益方面，通过六、九区电网配变综合节电措施的实施，优化现有配置，调容增效，节约了宝贵的电力资源，改善了环境，形成了一套较为成熟的稠油热采节电方案，符合建立节约型社会、节约型企业的宗旨。

6 结论与建议

（1）降损节电是复杂而艰巨的工作，既要抓好各个环节具体的降损措施，又要从制度上加强管理。提高管理队伍素质，定期对线损进行分线统计分析，要有计划地制定降损措施；推广线损在线测量，及时掌握网损分布和薄弱环节，查找出线损升、降的原因，确立今后降损的主攻方向。

（2）降低损耗的方式多种多样，应按照油区不同时期的特点采取不同的降损措施。电网降损节电、经济运行是个系统性的工作，如果只从单方面或局部开展工作，就达不到经济运行目的，必须系统地持续进行，不同的问题采取不同方案措施。

（3）在电力系统运行中，功率损耗和电能损耗不可避免，但应尽量采取措施使它降低到最低程度，这从节省资源，降低电能成本，提高设备利用率等方面都是必要的。对六九区电网综合节电降耗的一系列改造，油区电网的整体运行效率得到有效改观。对于确保重油可持续发展具有重要意义，是油田稠油热采企业确保实现节能减排、直接获取经济效益的有效途径。

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In view of the status of power distribution network at No.6 and No.9 block of Xinjiang Oilfield like insensible allocation of power distribution network and load,the lower load rate of distribution transformer and the rate of net losses not reaching the standard,the analysis is carried out from the following aspects such as improving the load factor,the running efficiency,and the optimization grouping allocation of transformers,and applying new types of energy-saving transformers,together with some suggestion of concrete improving measures.The result of reform practice for oilfield transformers indicates that corresponding measures have earned remarkable economic benefits,reached the energy-saving goal,and has great significance in the large-scale reform of oilfield power network,economic operation and management.

power distribution network;collocation optimization;energy-saving

杨彬（1975-），男，工程师，主要从事油田电力安全运行及节电增效工作。

��尉立岗

2012-03-01▏