張旻（大慶油田有限責(zé)任公司質(zhì)量節(jié)能部）

引言

大慶油田于1960年投入開發(fā)建設(shè)，隨著開采時(shí)間的延長(zhǎng)，老油田的“三低”（低孔、低滲透、低豐度）油井越來越多。在油田注水開發(fā)中、后期，由于含水量高、液體量大，不但增加了耗電量，而且采出油少，經(jīng)濟(jì)效益下降。走低成本戰(zhàn)略，降低能耗、減少生產(chǎn)成本，是大慶油田持續(xù)推進(jìn)提質(zhì)增效的一項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)。據(jù)了解，大慶油田機(jī)械采油井?dāng)?shù)已經(jīng)達(dá)到3萬余口，采油生產(chǎn)用電量占油田總用電量的三分之一左右。其中抽油機(jī)井占機(jī)采油井?dāng)?shù)的88%，其生產(chǎn)用電量占機(jī)采井的70%左右。根據(jù)大慶油田采油一廠一礦抽油機(jī)耗電量及系統(tǒng)效率統(tǒng)計(jì)（表1），可以看到抽油機(jī)耗電量巨大，是油田耗電的主要設(shè)備，也具有巨大的節(jié)能空間。

表1 大慶采油一廠一礦抽油機(jī)耗電及系統(tǒng)效率統(tǒng)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電在當(dāng)今新能源開發(fā)利用中技術(shù)成熟，是具備開發(fā)條件、發(fā)展前景良好的項(xiàng)目，有利于改善能源結(jié)構(gòu)。研制和開發(fā)應(yīng)用新型、高性能、環(huán)保型的風(fēng)電、網(wǎng)電并聯(lián)供電系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)充分利用風(fēng)能、大幅減低能耗具有十分重要的意義[1-2]。

1 分布式風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)供電系統(tǒng)

1.1 分布式供電系統(tǒng)

分布式電源是以風(fēng)力發(fā)電為主的小模塊式并且與環(huán)境保護(hù)兼容而且分布在負(fù)荷附近的經(jīng)濟(jì)、高效的獨(dú)立電源。分布式電源既可以獨(dú)立的方式運(yùn)行為特殊用戶單獨(dú)供電，也可以與電網(wǎng)互補(bǔ)共同為用戶供電。與傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)相比，分布式電源更靠近用戶，不需要高壓輸電系統(tǒng)，因此可減少基礎(chǔ)設(shè)施的投資，而且建設(shè)周期短、運(yùn)行費(fèi)用低，使其與電網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行可提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性和靈活性，同時(shí)可以滿足油田可持續(xù)發(fā)展的要求，減少對(duì)環(huán)境的破壞。分布式風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)供電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）可以合理利用清潔能源，減少發(fā)電過程中的廢氣排放。

2）在配電網(wǎng)中，由于負(fù)荷增長(zhǎng)而供電設(shè)備的物理容量不足時(shí)，可以適當(dāng)建立分布式供電系統(tǒng)來滿足局部負(fù)荷的增長(zhǎng)，減少改造供電設(shè)備的投資，同時(shí)也可以用來彌補(bǔ)用電高峰時(shí)的缺口。

3）在配電網(wǎng)中分布式供電可以提高局部供電的可靠性。

4）可以提高能源利用效率以及減少輸電損耗，提高一次能源的利用率。

圖1 抽油機(jī)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)原理

抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)通過轉(zhuǎn)換開關(guān)連接到供電電源，控制系統(tǒng)可以對(duì)各臺(tái)抽油機(jī)進(jìn)行電源切換操作。在風(fēng)況優(yōu)良時(shí)，風(fēng)力機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)過整流器轉(zhuǎn)換成較穩(wěn)定的直流電對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，再經(jīng)過逆變器將直流電逆變成交流電后對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電[3-4]。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能，能夠滿足設(shè)備用電時(shí)，全部用風(fēng)電，若風(fēng)能不足時(shí)，網(wǎng)電的電能自動(dòng)補(bǔ)足，若無風(fēng)時(shí)，則全部用網(wǎng)電。風(fēng)電與網(wǎng)電互補(bǔ)過程中無斷電切換，全部自動(dòng)在線轉(zhuǎn)換。同時(shí)，由于采用直流逆變的方式供電，功率因數(shù)大大提高，有效降低無功損耗。抽油機(jī)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

2 互補(bǔ)供電系統(tǒng)的建立及運(yùn)行

目前，各油田中應(yīng)用最廣泛的是游梁式抽油機(jī)，它具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)周期長(zhǎng)、維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但是存在耗電量大、效率低等缺點(diǎn)。由于抽油機(jī)必須保持連續(xù)的工作狀態(tài)，除了保養(yǎng)和維修時(shí)停運(yùn)，其它時(shí)間必須是全天24 h不間斷的工作，所以要求供電電源具有高安全性和高穩(wěn)定性。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有間歇性和隨機(jī)性，發(fā)出的電能不便儲(chǔ)存。采用風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)的方式，將整流器、逆變器和蓄電池有機(jī)結(jié)合，有風(fēng)時(shí)優(yōu)先用風(fēng)電，不足的部分由網(wǎng)電及時(shí)補(bǔ)充，最大限度地維持供電的連續(xù)性，克服獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能不便儲(chǔ)存的缺點(diǎn)。

2.1 建立風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)的原則

1）維持供電的連續(xù)性和可靠性，保證抽油機(jī)安全、平穩(wěn)運(yùn)行。

2）就地安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)，不需要進(jìn)行并網(wǎng)傳輸。

3）風(fēng)電能力不足時(shí)，用網(wǎng)電補(bǔ)償差額有功功率。

4）當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到網(wǎng)電運(yùn)行。

5）通過風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，僅需3 m/s以上風(fēng)力即可發(fā)電，當(dāng)風(fēng)力很大時(shí)，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)槳葉切風(fēng)角改變風(fēng)機(jī)受力狀況。

6）系統(tǒng)應(yīng)具備準(zhǔn)恒溫調(diào)節(jié)功能，適應(yīng)惡劣的氣候環(huán)境，無論在炎熱的夏季或寒冷的冬天，系統(tǒng)均可確保室外運(yùn)行[5]。

2.2 供電系統(tǒng)的運(yùn)行及控制過程

1）啟動(dòng)。由于各抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)負(fù)載較大，導(dǎo)致啟動(dòng)電流較大，所以考慮采用網(wǎng)電啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。當(dāng)負(fù)載運(yùn)行平穩(wěn)后，將自動(dòng)轉(zhuǎn)切至風(fēng)力發(fā)電機(jī)供電模式[6]。

2）運(yùn)行。正常運(yùn)行時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接供抽油機(jī)用電，并向蓄電池充電。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能滿足負(fù)荷需要時(shí)，由蓄電池補(bǔ)充差額。當(dāng)蓄電池放電接近完成，而且風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)不能滿足需要時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到網(wǎng)電供電狀態(tài)。

3）故障。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，控制系統(tǒng)對(duì)故障源進(jìn)行初步判斷，并按照預(yù)定的方式進(jìn)行相關(guān)操作。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的匹配選型

根據(jù)大慶氣象臺(tái)1980—2010年氣象資料統(tǒng)計(jì)（圖2），其多年平均風(fēng)速為3.5 m/s。為合理地反映該地區(qū)風(fēng)力資源情況，選取多年平均風(fēng)速3.5 m/s作為10 m高度基本風(fēng)速進(jìn)行測(cè)算。

圖2 大慶地區(qū)月平均風(fēng)速直方圖

根據(jù)風(fēng)速梯度公式，該地區(qū)風(fēng)速換算成30 m高度風(fēng)速應(yīng)為6.3 m/s。

式中：V0——大慶地區(qū)平均風(fēng)速，m/s；

H0——大慶地區(qū)平均風(fēng)速的基準(zhǔn)高度，m；

Hn——風(fēng)機(jī)高度，m；

Vn——風(fēng)機(jī)高度下平均風(fēng)速，m/s。

以大慶油田采油一廠CYJ10-3-37HB型抽油機(jī)為例，電動(dòng)機(jī)額定功率為37 kW，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的數(shù)據(jù)資料顯示，單臺(tái)電動(dòng)機(jī)平均使用功率14.2kW。根據(jù)某風(fēng)電設(shè)備有限公司制造的HY10-AD7.8變漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)（表2），結(jié)合風(fēng)速與功率對(duì)應(yīng)曲線，根據(jù)容量系數(shù)法計(jì)算出5臺(tái)額定功率20 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)共同為7口抽油機(jī)供電時(shí)，其效率最高、經(jīng)濟(jì)性最好。

表2 風(fēng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)大慶當(dāng)?shù)仫L(fēng)資源狀況，結(jié)合選定的風(fēng)機(jī)機(jī)型和風(fēng)電機(jī)功率曲線，推算風(fēng)電發(fā)電機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的理論年發(fā)電量21.9×104kWh，年等效負(fù)荷小時(shí)數(shù)為2190 h。

式中：P——理論年發(fā)電量，kWh；

Q——額定功率，kW；

V平均——風(fēng)機(jī)高度下風(fēng)速，m/s；

V額定——額定風(fēng)速，m/s；

t——運(yùn)行時(shí)間，h。

4 綜合效益分析預(yù)測(cè)

4.1 節(jié)能減排效果

大慶油田電網(wǎng)是我國(guó)最大的企業(yè)電網(wǎng)，主要電廠為燃煤電廠，發(fā)電用煤需求量大。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，油田用電負(fù)荷將持續(xù)增長(zhǎng)，發(fā)電用煤需求量將更大。燃煤電廠在消耗大量燃煤的過程中，產(chǎn)生了大量的CO、CO2、SO2、NOx、煙塵等污染環(huán)境和造成溫室效應(yīng)的有害氣體，對(duì)環(huán)境和生態(tài)造成不利的影響。在大慶油田，尤其是偏遠(yuǎn)井場(chǎng)開發(fā)利用小規(guī)模清潔的可再生能源供電系統(tǒng)，即可解決外圍采油井場(chǎng)供電需求問題，又可達(dá)到節(jié)能減排的目的，符合我國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展的相關(guān)政策，風(fēng)電應(yīng)用前景明朗。

表3 風(fēng)機(jī)發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)分析

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析預(yù)測(cè)

由于大慶油田地處風(fēng)能較豐富區(qū)，經(jīng)過風(fēng)速高度換算，30 m高度全年平均風(fēng)速6.3 m/s，風(fēng)機(jī)有效風(fēng)速累計(jì)小時(shí)數(shù)達(dá)到2190 h?？紤]在大慶偏遠(yuǎn)井場(chǎng)安裝5臺(tái)容量為20 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組共同為7口油井供電。

項(xiàng)目實(shí)施后，風(fēng)機(jī)有效運(yùn)行時(shí)間以2190 h計(jì)算，輪轂高度（30 m）平均風(fēng)速以6.3 m/s計(jì)，用電價(jià)格以0.61元/kWh計(jì)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)成本以10000元/kW計(jì)，抽油機(jī)年耗電量以2010年大慶采油一廠一礦CYJ10-3-37HB型抽油機(jī)為依據(jù)〔313.3kWh/(d·臺(tái))〕計(jì)算。則7口油井年節(jié)約耗電量及經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算如表3所示。

通過對(duì)該供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益分析表明，采用5臺(tái)20 kW風(fēng)電與網(wǎng)電互補(bǔ)為7口油井供電，對(duì)比單純由電網(wǎng)供電型式，預(yù)測(cè)全年風(fēng)力發(fā)電量可占總用電量的27.4%，年均可節(jié)約電費(fèi)成本89 790元。按照節(jié)約1 kWh電量計(jì)算，年可減少碳粉塵排放 59.6 t、CO2218.3 t、SO26.6 t、NOx3.3 t。

5 結(jié)論

通過以上分析，可以看出抽油機(jī)采用風(fēng)-網(wǎng)互補(bǔ)供電方式，無論是環(huán)保、技術(shù)還是經(jīng)濟(jì)上都是可行的。而且風(fēng)能作為一種清潔的、可再生能源，即可達(dá)到節(jié)能減排的目的，又完全符合我國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展的政策，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都非常明顯。同時(shí)，大慶油田既是產(chǎn)能大戶，更是耗能大戶，有效廣泛開展風(fēng)電技術(shù)的研究與應(yīng)用對(duì)于大慶油田節(jié)能降耗工作具有十分重要的意義。