坪北油田电力系统功率因数控制方法研究与应用.pdf

第2 4 卷第3 期 2 0 1 4 年9 月 江 汉 石 油 科 技 J I ANGHAN P E T ROL E UM S CI E NCE AND T E C HNOL OGY Vo 1 2 4 No 3 S e p 2 01 4 坪北油 田电力 系统功率 因数控 制方法研究 与应用 肖 林 (中国石 化集 团公 司江 汉油 田分公 司水 电厂 ) 摘 要：在电力系统节能技术中， 功率因数是一个重要的导出参数。特别在电力系统中， 功率因数是重要 的技术指标， 有着重要的技术经济意义。本文依据坪北油田应用实际、从永磁电机理论入手，提出了控制油 井永磁 电机的运行电压 ，从而达到控制电力 系统功率因素的设想 ，并加以实施 ，在全电力系统取消高低压 电 容补偿 ，取得 了满意的效果。为解决这一难题提供 了 “ 坪北模式” ， 对工程技术人 员实际工作 中补偿功率 因数有一定的理论实际意义。 关键词： 油井；抽油机 ；运行电压；功率因素。 1 概况 坪北油田位于陕西省安塞县和子长县境内，区 域面积6 4 k m 2 。其电力系统由一条3 5 k V 线路、一座 3 5 k V 变 电所和5 条 1 0 k V 线路组成 ，共有 1 4 5 台配 电变 压器 ，主要用 电负荷为油 田机采 、注水和输油三大 系统。无功补偿 以低压为主 ，在每台配电变压器低 压侧安装有3 6 7 5 k V a r 的补偿电容器 ，变电所 1 0 k V 母 线安装 1 2 0 0 k V a r 的高压电容器作为零时调节和备 用，电力系统功率因数常年保持在0 9 以上。 2 问题的由来 近几年来，变电所主变功率因数时常发生波 动 ，最低时小于0 6( 感性 )，最高时达No 9( 容 性 )。需要随时调整高低压电容器的投运量，来满 足电力系统经济运行和上级供电部门的考核。经过 长期观察 ，我们发现，系统功率因数高低与1 0 k V 母 线电压的高低有着较高的相关性，1 0 k V 母线电压高 时，功率因数较低；电压低时，功率因数较高。 3 功率因数波动的原因分析 坪北油 田的所有注水泵和输油泵都由变频器拖 动，功率因数较高，一直稳定在0 9 5 以上 ，而且不受 电压波动的影响。注水和输油两个系统排除后 ，剩下 的只有机采系统， 也就是说机采系统负荷的功率因数 的变化决定了整个电力系统的功率因数的高低。 坪北油 田机 采系统的主要负荷就是 油井抽油 机 ，共有6 2 5 台，均为游梁式，投产初期 由异步电动 机拖动。2 0 0 6 年1 0 月以后 ，逐步更换为永磁同步电 机 ， lJ 2 0 1 0 年 1 0 月 ，异步电动机只剩 2 0 台。随着永 磁 电机所 占比例的上升 ， - 系统功率 因数受1 0 k V 母线 电压波动影响愈来愈明显。 为此 ，我们开展了永磁 电机功率因数与运行 电 压关系的分析。有资料表明，永磁电机空载功率因数 与 电压的关系如图1 。负载时 ，当运行电压高于永磁 电机的空载反电势时，功率因数呈感性 ；当运行电压 摄 哩 静 霹 瓣 电压 V 图1空载功 率 因素 随电压 变化 的 曲线 作者简介 ：肖林 ，华东电力大学毕业 ，工程师， 现为坪北水 电科科长。 第3 期 肖林 ：坪 北 油 田 电 力 系统 功 率 因数 控 制 方 法 研 究 与 应 用 7 9 低于永磁电机的空载反电势时 ，功率因数呈容性。 从油井永磁电机生产厂家了解到，在设计和制 造各环节中，使得永磁电机出厂时，空载反电势接 近额定电压，也就是说，永磁电机在额定条件下运 行时，功率因数在1 0 附近，不需再进行无功补偿。 4 电力系统功率因数的控制方法 根据以上分析 ，系统功率 因数 的控制方法逐步 得到明确 ：要使得 电力系统功率因数稳定在合理范 围内运行 ，关键是控制机采系统用电负荷的功率 因 数。由于坪北油田机采系统负荷绝大部分为永磁电 机 ，只要将永磁 电机的运行 电压控制在适 当的范围 内 ，运行 中每台永磁 电机 的功率 因数保 持在 1 0 附 近 ，整个 电力系统就会呈现出较高功率 因数 。也就 是说 只要控制油井永磁电机的运行电压 ，就可 以达 到控制系统功率因数的目的，并且全电力系统可以 取消高低压电容补偿。 5 实施过程 5 1 油井运行电压的确定 虽然永磁 电机在出厂时已使空载反 电势接近额 定 电压 ，但在实际运行 中，油井永磁电机平均负载 率不足2 0 ，大部分油井冲次为每分钟3 至5 次 ，在 这种特定 的机采条件下 ，永磁 电机理想的运行 电压 是多少呢?为此，我们请专业测试单位在P 6 1 采油平 台进行了现场调压测试。共测试永磁 电机6 台。通过 对测试数据进行分析，得出下列两点结论 ： ( I ) 被测试的6 口井每台永磁电机的运行电压 都存在临界点。高于该点功率因数呈感性 ；低于该点 功率因数呈容性；与该点偏离越远，功率因数越低。 ( 2)这6 台永磁 电机运行 电压 的临界点都不相 同，在3 6 5 至3 7 5 V 之间。 根据永磁同步电机空载运行电压和功率因数的 关系 ，结合现场测试数据 ，我们把油井永磁 电机运 行 电 压 的 控 制 目标 定 在 3 7 0 V，而 不 是 额 定 值 3 8 0 V，在此电压下运行 ，绝大多数永磁电机 的功率 因数在0 9 至1 0 之间。 5 2 系统功率因数控制方案的确定 电压控制 的目的是使各油井永磁电机的运行电 压保持在 3 7 0 V 附近 ，以获得接近 1 0 的 自然功率 因 数 。各 采 油平 台的 配 电变 压器 的档位 均 在 档 ( 1 0 0 4 k V)，考虑到l O k V 线路和低压线路的实际压 降 ，若油井永磁电机的运行 电压保持在3 7 0 V，对应 的l O k V 母线电压应在9 5 k V 左右。井 口电压波动的原 因是3 5 k V 系统电压波动引起的。只要适时调整主变 的调压档位 ，消除3 5 k V 系统电压波动的影响 ，使 l O k V 母线电压保持在9 5 k V 附近。就可以获得较高的 系统功率因数。 5 3 变电所主变压器变比的确定 从近几年 的运行资料分析 ，3 5 k V 母线电压 的变 化范 围在3 1 k v 至3 8 k V 之问 ，但全年9 0 以上 的时间 是在3 4 k V 至3 5 k V 之间运行 。要使 l O k V 母线 电压长期 保持在9 5 k V，主变基本变压 比定为3 5 1 0 k V；由于永 磁电机的功率因数对运行 电压极为敏感 ，两档之间 变比差别不宜太大，选1 2 5 ，即变电所主变每改变 一 档，油井永磁电机运行电压变动5 v 。所以确定将 变 电所 1 # 主变 由s 9 3 1 5 0 3 5 1 0 5-4 - 5 更换 为S Z 1 1 31 5 0 3 5 1 06 1 2 5 。 5 4 改造过程 2 0 1 0 年底我们一方面加紧将剩下的2 0 台异步 电 机更换为永磁电机 ，使全部油井都 由永磁电机拖 动 ；另一方面制定变电所 1 # 主变更换计划。经过一 系列前期准备 ，在2 0 1 1 年1 0 月完成改造。1 l Y l 1 1 日 进行1 # 主变调压试验 ：在退出6 0 0 k V a r 高压补偿 电容 后 ，系统功率因数从0 9 8 降到0 8 3 ，随着主变有载调 压开关从7 档 ( 基本档 )逐步下调 ，系统功率因素不 断 上 升 ， 当调 至 3 档 后 ，系统 功 率 因数 上 升 到 1 0( 超前 )，此时l O k V 母线电压为9 4 k V 。到此调压 试验获得成功。 随后 ，我 们 将 所 有 配 电变 压 器低 压 侧共 约 1 8 0 0 k V a r t 偿 电容全部退 出运行 ，整个 电力系统全 部取消高低压电容补偿。到目前为止，两年来运行 情况良好，l O k V 母线电压一直保持在9 5 k V 附近，系 统功率因数始终在0 9 5 左右。 6 结束语 通过本项 目研究和应用使我们认识到 ，在坪北 ( 下转第7 4 页 ) 7 4 江 汉 石 油 科 技 第2 4 卷 缝金属的冲击韧性就越好 。A F 的数量和平均晶粒尺 寸对焊缝性能有重大影响，有关研究表 明：当焊缝 中A F 含量大于6 5 ，其平均晶粒尺寸约为1 IJ , I T I 时 ， 焊缝可获得良好的综合力学性能。相反，随着A F 数 量的减少、形态粗大，会使焊缝的力学性能恶化， 尤其使焊缝的冲击韧f 生 严重下降闭 。 由于A 钢厂母材对应的焊缝组织针状铁素体含 量高，且组织细小，所以其焊缝冲击韧性lzL B 钢厂 高 焊 缝化 学成 分如 表3 所 示 ，成分 差异 主要在 Mn 、c r 元素上 ，C r 是扩 大 y 相 区的元素 ，降低 y 一 相变临界温度，使奥氏体转变在较低的温度下进 行 。在C i4 , 于1 0 时 ，随着C r 含量的增加 ，A F 逐 渐发生细化。而当c 晗 量大于1 O 后 ，随着c 哈 量 的增加 ，A F 逐渐被贝氏体取代。当c r 含量为2 3 时，焊缝金属组织绝大部分为贝氏体。引起焊缝金 属组织突变的这个c 晗 量与焊缝中M n 含量密切相 关，当M n 含量为1 8 时，这个c r 含量为0 8 圆 。 在A 钢厂焊缝中C r 含量 t L B 钢厂多0 0 6 ，Mn 含 量均约1 7 ，Mn 、C r 两个合金元素的含量小于完全 形成贝氏体范围。针状铁素体也属于贝氏体 ，在 M n 含量不变时随着c r 含量的增加A F 也会有所增加， 并且A F 细化，因此A 钢厂焊缝获得了较多较细的 A F ，提高了焊缝冲击韧性。 4 结论 对A 钢厂和B 钢厂所对应焊缝组织进行了比较 ， 发现A 钢厂焊缝 中A F 含量较多 ，并且晶粒细小 ，是 其韧性较好的原因，而促使A F 含量增加和细化的根 本原因是M n 、c 哈 金元素的共同作用。 参 考 文 献 【 1 聂文金， 辛伟峰， 等 沙钢大壁厚高韧性管线钢的研究及开 发 A ；2 0 o 9 国际管线钢峰会论文集 c 2 0 0 9 ， 2 4 2 2 5 0 2 张德勤 微合金钢焊缝金属中针状铁素体形成机理的研 究【 D 】 天津大学， 2 0 0 0 ， 6 - 1 9 ( 编辑胡素梅 ) -X4 -X4 ( 上接第 7 9 页) 油 田，提高电力系统功率因素唯一有效的方法就是 控制油井的运行电压。这是 因为抽油机基本上全部 由永磁 电机拖动 ，而永磁电机与异步电机不同 ，它 是同步电机 ，工作时 ，既可以吸收无功也可 以发 出 无功 ，由运行电压 的高低决定。当油井永磁 电机功 率因数低时 ，投入 电容器 ，在补偿无功 的同时 ，也 提高了永磁电机的运行电压，使得永磁电机的自然 功率因数下降，在很大程度上抵消了电容器的补偿 作用，所以用电容器来提高永磁电机的功率因数收 效是有限的。 参 考 文 献 1 王秀和 永磁电机 M 北京： 中国电力出版社2 0 0 7 2 夏尊禹，周明 提高用电负荷的功率因数是配电线路降损 的有效措施【 J 】 - 中国科技信息，2 0 0 7 ( 1 1 ) 3 燕红侠 ，牛淑芳 无功补偿与提高功率因数及节能降损的 关系叨 煤炭技术，2 0 0 8 ( 0 8 ) ( 编辑汪孝芝 )