井组节能错峰控制柜设计及应用效果分析

韩民强，刘 学，丁建军

（渤海石油装备（天津）新世纪机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

随着钻井、勘探等技术的不断提高，水平井、大斜度井已经成为当今油气田开采的主要趋势，随之而来的是大井组平台的出现。这些平台往往矗立着几台、十几台，甚至几十台抽油机，控制系统大多采用变频控制。一台抽油机一般需要十几到几十千瓦的电机提供动力，一个平台就需要上百千瓦甚至几百千瓦的电源供电。在我国一些偏远的油气田建立在沙漠、戈壁滩等人烟稀少，电网不能覆盖的区域，需要燃气、燃油发电机进行供电。近些年又出现了光能、风能等辅助发电设备。

经研究发现，抽油机在正常运行期间，所需平均电流只有电机额定电流的1/4～1/3，甚至更低，而电机的启动电流一般都较大，为额定电流的2～3 倍。并且抽油机每个冲程周期内，电机电流是时刻变化的，其中最大电流发生在上冲程期间。当一个井组的所有抽油机都运行到最大功率或处于开机状态时，平台的发电设备将达到供电峰值，这个峰值决定了这个平台发电设备的等级。然而在正常运行时，所需的功率不到发电机额定发电功率的1/2，这造成了极大的选型浪费，增加了用户的投入成本。

同时，在抽油机运行到下冲程期间还会出现反发电的现象。受井况、抽油机型号以及抽油机平衡度等因素的影响，反发电的程度有所不同。这些反发电能量如果回馈到电网，会对电网造成“污染”。为了消除电网“污染”，常规的做法是在抽油机变频柜内增加大功率的制动电阻，将反发电的能量通过制动电阻转化为热能的形式消耗掉，同时也造成了大量的能源浪费。

大井组平台在发电设备的投入上是非常巨大的，给油气田开发企业在生产运行中带来了相当大的压力。为了解决上述两种浪费的难题，本文设计一种井组节能错峰控制柜，并对其应用效果进行分析总结。

1 设计方案

1.1 控制流程设计

为解决丛式井装机容量大、电能浪费严重，易出现停机故障的问题，设计井组节能错峰控制系统。井组节能错峰控制系统包括共直流母线技术及错峰控制技术。

（1）变频器共直流母线技术：将若干台抽油机变频器的直流母线连接在一起，将电机的反发电能量反馈给共直流母线的其他抽油机变频器，作为其他电机的能源，从而达到降低能耗的目的。电路连接可采用1 个变频器对应1 台抽油机的一对一模式，也可采用共用1 套独立整流单元总成、制动电阻单元、滤波单元总成，将逆变单元与抽油机电机一对一控制连接。由于第二种方法的整流单元总成、滤波单元总成发生故障后会造成整个井组停机的严重后果，故在设计中暂不考虑。本设计方案采用变频器与抽油机电机的一对一控制模式。

（2）错峰控制技术：采用专用的可视化PLC 控制器，对抽油机控制系统的变频器频率进行错峰调整，让平台多台抽油机的电机不能同时达到功率峰值，降低井场总功率的峰值。功率错峰控制流程如图1 所示。可视化PLC 控制器依靠通信线与平台上的每台抽油机变频器之间进行数据通信，实时读取变频器的电参数，计算总功率峰值，并判断是否允许停止的抽油机进行启动操作。然后计算每台抽油机的功率峰值间隔时间，并预判功率峰值段的重合时间及数量。每台抽油机的功率峰值段及重合数量可以通过可视化PLC 控制器手动进行设置。当功率峰值段重合数量达到设定值时，开始按照预先在可视化PLC 控制器上设定的优先级调整抽油机变频器频率，从而达到错开总功率峰值的目的。为了不影响井场总体产量，调整均为微调，并具备频率调整错开峰值后恢复到调整前频率的功能。

图1 功率错峰控制流程

1.2 控制柜设计

控制柜的设计分为主控柜和分控柜。控制柜采用油气田通用的AC 380 V，50 Hz 电源进线。主控柜里面有可视化PLC 控制器和1 个抽油机控制单元，可视化PLC 控制器采用1 拖N 的设计模式，即1 个控制器可以控制井场N 台抽油机运转，本设计方案中N 最高为9。1 个分控制内包括2 个抽油机控制单元。分控柜可根据井场抽油机的数量进行自由拼接。每台控制柜的两侧均有6 个固定螺栓，用于两台并排柜体之间的紧固连接，位于最外侧一面的螺栓要保留，防止漏雨。根据井场多雨及风沙大的特点，控制柜采用防尘、防雨设计。每台控制柜内具有独立的温度控制单元，控制温度可手动设定。当控制柜内温度高于设定的上限温度时，散热风机自动开启进行散热；当控制柜内温度低于设定的下限温度时，加热器自动开启进行加热，从而保证可视化PLC 控制器、变频器及其他电器元件处于最佳的工作环境，延长设备无故障运行时间。

主控柜中主控单元电路如图2 所示，主要元件包括：①主空开QF0：负责整个控制柜（包括主控柜和分控柜）的电源通断；②浪涌保护器：把线路中瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内；③备用插座：安装有1 个两孔、1 个三孔插座，便于设备维护；④可视化PLC（触摸屏控制器）：实现错峰控制、参数设定、电参数采集、显示等功能。

图2 主控单元电路

控制柜内的抽油机控制单元的控制电路集中在一个独立的二层板上，每台抽油机都有单独的电气控制部分，互不影响。所有进出线均在控制柜后部连接，控制柜前端没有连线，提高了现场操作的安全性。当一台抽油机电控部分发生故障，可直接将对应控制单元所在的二层板从控制柜上拔下来，换上一套新的即可，不需要在现场进行检修，快速恢复井场的正常作业。由于控制柜柜体较重，绝大部分井场位置比较偏僻，吊车使用不方便，所以控制柜柜体安装时可以先将控制柜内的二层板卸下，柜体安装完成后再装上二层板。但要注意，二层板必须轻拿轻放，不能磕碰。

2 应用效果分析

试验井场选择煤层气井2 个平台。A 平台为在用井场，共有7 台6 型抽油机，每台抽油机的电机为18.5 kW，共计129.5 kW。井场照明、伴热等其他设备用电共计约20 kW。井场总装机功率149.5 kW，井场配备的发电机总功率为160 kW。该井场经常发生发电机停机故障，尤其是在有抽油机检修停机后再启动时和井场其他用电设备同时工作时，故障发生的概率更大。经了解，该井场抽油机设计为15 kW 电机，后续由于生产需要，更换为18.5 kW 电机，但发电机组始终未能扩容。为解决上述问题，现场安装了节能错峰控制柜进行试验。

试验前后各自进行了大约7 万秒的总功率监测。设备安装前，在监测数据的1 万秒和7 万秒附近出现2 次功率峰值，峰值功率达到正常运行功率的125%左右，负功率（反发电）现象非常严重，对供电系统冲击大。改造前井场功率监测图如图3 所示，横坐标为时间轴，纵坐标为功率值。

图3 改造前井场功率监测

控制柜安装完成后，稳定运行1 个星期后开始进行监测（图4）。生产运行时总功率平均值基本一致，功率峰值较平稳，未出现突然大幅增加的情况，负功率偶尔出现，但是相比于改造前有明显好转。

图4 改造后井场功率监测

B 平台为新井场，共有5 台6 型抽油机，每台抽油机的电机为18.5 kW，共计92.5 kW。井场照明、伴热等其他设备用电共计约20 kW。井场总装机功率112.5 kW，井场配备的发电机总功率为160 kW。安装后运行3 个月，未发生因功率过载造成的发电机停机故障，生产运行时总功率平均值基本一致，功率峰值较平稳。经数据监测未出现短时的较大峰值，负功率情况也相对较少。

3 总结

通过现场应用表明，井组节能错峰控制柜在降低井场总功率峰值及减少反发电情况方面切实有效，达到了设计预期。该控制技术为偏远地区油气田大井组的井场提供了一种降低发电机装机容量的可行性方案，降低了用户在发电设备方面的投入。抽油机反发电能量的再利用使得用电效率更高，起到了节能降耗的作用。控制柜内部结构的独特设计在实际应用中发挥了重要的作用，有效减少吊车等辅助设备、工具的投入，降低工人的劳动强度。但是，从该控制技术的应用效果分析，也存在需要提高的方面：①抽油机反发电情况并未完全消除，控制柜内还需要配备制动电阻单元消耗掉反发电能量，需要后续继续优化控制程序，提高控制精度；②降低井组总功率峰值的功能虽然初步实现，但通过后期的控制程序优化还可以进一步降低总功率峰值。