新疆石西油田电网优化运行研究

赵新

新疆油田公司石西油田作业区

油田电网具有用电量大、负荷密度高、对供电质量及安全性要求高等一系列特点，因此，油田电网运行的安全性、可靠性、经济性、稳定性对油田生产具有重要意义。如何利用现代化的信息技术提升油田电网的质量，已经成为油田电力系统当前面临的主要问题。随着新工艺、新技术和新设备不断投入使用，新油田的开发和老油田开采规模的扩大速度越来越快，促进了油田电力系统的建设与发展。

伴随石西油田不断开发，目前油田进入高含水期，产量不断下降，但是电量却逐年上升。油田开采产量与用电量的矛盾一直是油田后期发展的制约因素。由于油田进入高含水期，电网不合理运行也是影响因素。新疆油田电力系统优化运行研究需要简化电压层次、提高供电能力、改善电压质量、更换先进设备、引入先进的电网运行管理理念[1]。具体来说，需要优化10 kV供电线路半径，进行供配电线路的无功补偿，合理选择变压器容量，合理规划供配电线路路径，提高电网的运行水平。

1 电网运行现状

石西油田电网处于沙漠腹地，采用110 kV双回路供电线路供电。目前油田有1座110 kV变电所，5座35 kV无人值守变电所，35 kV配电线路180 km，10 kV线路490 km，配电变压器832座。全年作业区用电量为8 000×104kWh，该电量包括油气生产用电和生活用电，所占比例为96.4%和3.6%。2017年全年电费总额达到6 658万元。

通过调整石西油田电网运行方式、电费支出等相关数据的研究认为，改变用电负荷侧运行方式并对电网进行合理调整，引进先进的节能节电设备，同时淘汰更新用电设备是实现油田电力系统优化的有效方法[2]。

2 10 kV配电网优化

2.1 10 kV供电线路

2.1.1 供电线路半径优化调整

通过对线路运行支线摸底调查，对老油区支线油井关井停止生产、无需电力支持的支线拆除线路过桥，减少供电半径，这样能有效降低空载线路长度，提高供电线路的稳定性。

2.1.2 供配电线路无功补偿

由于石西油田电网负荷中抽油机为主要用电负荷，并且抽油机电动机需要大的启动电流，普通抽油机电动机自然运行功率因数偏低，导致整个电网无功功率过高。为了提高配电网功率因数，必须对电网实施无功补偿。无功补偿分为低压无功就地（动态）补偿、高压配电网络无功分散补偿和变电所高压无功自动跟踪补偿[3]。

单井低压就地补偿采用在抽油机配电控制箱内安装三组电容补偿，分为固定补偿和单井负荷变化动态补偿。这项技术已经在国内油田普遍应用且效果良好。

单井低压就地补偿后，油田10 kV配电网络无功功率波动很大，而且存在补偿不足情况，因此经过对整个电网的负荷计算，选取合理的位置在10 kV配电网上安装高压无功自动补偿装置。该装置通过采集配电网电流变化情况，通过智能控制系统调整无功补偿电容量的投入和切出，以保证整个电网不会出现过补偿和欠补偿的情况。

经过就地补偿和线路动态补偿后，配电网的功率因数基本达到标准水平，但变电所主变本身也需要一定的无功功率。如果这一级不进行补偿，就要通过35 kV线路从上一级变电所输送无功功率，将产生高压网损[4]。

由于单井无功补偿存在电容损坏和交流接触器损坏等问题，所以需定期更换电容和交流接触器。根据采油供电线路的长短、负荷的大小，分别在线路的中、末端加装高压无功补偿装置。2012年，石西作业区加装高压无功补偿装置，使线路功率因数提高了20%，有效减少了线路无功功率。供电线路采取变电所集中补偿、线路分散补偿和低压就地补偿三种方式相结合，有效地提高了电网供电质量。

2.2 配电变压器

2.2.1 更新淘汰高耗能变压器

石西油田在用S7型及S7型以前系列变压器属明令淘汰的高耗能变压器，目前使用高耗能变压器占变压器总数的20%。通过西北节能中心对油区内在用变压器进行专项测试，结果表明：S9、S10、S11型变压器与S7型高耗能变压器比较，空载损耗平均降低30%，负载损耗平均降低20%[5]。

针对淘汰S7型变压器的统计排查，共计更换150台S7型变压器。委托实验检测研究院对改造前后20台变压器（新型变压器）进行测试，结果表明：平均空载无功损耗由1.800 kvar下降到0.767 kvar，下降了57.4%；平均有功功率损耗由0.395 kW下降到0.357 kW，下降了9.64%；平均无功功率损耗由2.216 kvar下降到1.281 kvar，下降了42.19%；平均运行效率由97.647%上升到97.869%，上升了0.227个百分点。

2.2.2 合理调整变压器容量

随着变压器技术的不断进步和变频技术的发展，变压器容量与台数的合理配合能够实现变压器经济合理运行。输配电变压器的台数和容量也需要根据负荷变化适时调整，根据井位和配电线路位置合理安装配电变压器，将大容量变压器通过低压线路从以前的一对一供电改为一对多供电模式[6]。

通过委托实验检测研究院对5条10 kV线路变压器空载率和负荷率进行了测试，测试结果见图1、图 2。

图1 变压器负荷率Fig.1 Transformer load rate

图2 变压器负载、空载数量对比Fig.2 Comparison between load and no-load transformer

由图1可知，石西油田负载变压器平均负荷率为22.1%。负荷率偏低是导致变压器运行效率降低、电力系统变压器损耗率升高的重要原因之一[7]。造成变压器负荷率偏低的主要原因是变压器选择的容量过大，考虑到变压器容量选择涉及的因素较多，根据抽油机等设备负荷特点，合理配置和调换变压器，以达到提高变压器负荷率的目的。

由图2可知，在测试的5条油田高压（10 kV）配电网中，实际测试安装变压器共206台，总容量为15 367 kVA。其中，负载变压器有139台，占总数的67.5%，容量为10 913 kVA，占总容量的71%；空载变压器有67台，占总数的32.5%，容量为4 454 kVA，占总容量的29%。

调整大容量变压器，在不影响抽油机正常生产情况下，将100 kVA变压器调整为80 kVA或者63 kVA。对于已经关井变压器断开跌落式熔断器，这样能有效减少变压器空载损耗[8]。

3 主要耗电设备的优化

石西油田生产过程中主要耗电设备是电动机，电动机耗电量占原油生产耗电总量的90%以上，采油设备、注水设备、油气集输三大系统的电力驱动装置几乎全部为电动机，因此，电动机是油田的主要用电设备。

抽油机专用节电器（单井动态节能装置）是专门设计用于抽油机的节电控制装置[9]。为此，采用单井动态节能装置，根据抽油机负荷变化情况，在不改变电动机转速的条件下，保证电动机的输出功率与负荷需求匹配。同时采用变频技术和低压无功补偿技术，采用低电流大转矩启动抽油机，减少峰值电流对电网的冲击。根据4口井的调查分析（表1），对出液量变化大的单井采用动态节能装置有功节电率可达30%。

表1 动态节能装置测试Tab.1 Test of dynamic energy saving device

目前注水系统均采用低压变频调节和工频相配合使用，可有效节约电量[10]。但高压变频技术目前应用不是很成熟，而且成本也高。

4 电网智能化管理

油田智能化配电网在运行时能够提高电网的运行安全水平和在线监测数据质量，而且可以对用电设备进行可视化管理，实现配电网运行管理和停运管理的自动化与信息化，实现电力运营商与电力终端用户的信息互动[11]。

4.1 配电线路10 kV故障在线监测

影响油气生产的最大电力危害就是故障停电，尤其在沙漠地区，地形复杂、气候条件恶劣，电力故障经常发生。传统方式采用人工巡检查找故障，这样不仅浪费时间而且有时很难查找到故障点。为此，需要一整套电网故障在线监测系统，以有效地判断故障范围和故障点，减少停电时间。目前石西作业区在10 kV线路主要支线和主干线上安装了线路故障指示器，应用效果显著，主要包括线路接地故障指示、线路短路故障指示功能。故障指示器的应用大大缩短了故障排查时间，减少了油气损失。

由于该故障指示器无法实现在线监控，只能靠人工现场确认，在一定程度上存在弊端。为了能高效快捷地查找故障点，采用基于GPRS技术的在线监测系统进行在线故障定位：检测短路、接地、过流、三相不平衡、断线、停电、窃电、电力设备非法移动等故障状态，在本地和远程指示，并自动定位故障点（故障区段）。

4.2 各站配电系统在线监测及能耗分析

由于在各站系统运行中，技术人员不能直观地了解各个系统耗电设备的运行情况，包括功率因数、有功功率和无功功率、耗电变化曲线等参数，需建立一套完整的耗电设备在线监测和能耗分析系统，能够在线显示各个系统能耗变化及各项电能运行参数[12]，技术人员可以根据这些参数分析设备的运行电能变化，从而提出合理的节电运行方式。目前作业区已经开始进行系统的前期规划和建设。

5 结束语

油田电网优化运行是油田节能降耗的根本，只有通过多种手段结合才能合理地提高电能的利用率和经济效益。伴随电网技术的不断发展，油田开发同时加强电网的技术革新，需引进先进的电网管理技术。电力管理者要根据油田生产数据变化不断调整电网内电气设备运行方式，与此同时，不断更新改革节能设备，真正实现油田电网安全、可靠、经济运行。