大慶油田抽油機分布式風網互補供電系統可行性研究

王豫龍，張 玉

(大慶油田電力集團，黑龍江 大慶 163711)

目前，大慶油田機械采油井數已經達到3萬余口，全年采油生產用電量約為139億kW·h，占油田總用電量的三分之一左右[1]。其中，抽油機為主要油田耗電設備，采油成本較高。大慶油田電網是一個純火電電網，燃煤電廠在消耗大量燃煤的同時，還產生了大量的 CO、CO2、SO2、NOx、煙塵等污染環境和造成溫室效應的有害氣體，對環境和生態造成不利的影響。因此，鑒于大慶地區的風資源豐富和具有開發建設風力發電場的有利條件和資源優勢，在大慶油田開發利用小規模清潔可再生能源供電系統，既可降低油田用電成本、減少燃煤消耗，又可達到節能減排的目的。

1 大慶油田風能資源評價

大慶油田地處敖古拉大風口，年平均風速3.73 m/s，春秋季風速偏大，冬夏季風速較小，屬于春秋強中壓型風能較豐富區，全年風能可利用時間在4 000 h左右[2]，風能蘊藏量在全國城市排名位居前列.

根據國家氣象局提供的大慶油田各地區1981年1月—2010年1月各測風塔實測數據(見表1)，大慶油田地區10 m高度年平均風速為3.73 m/s，有效風力小時數在3 696～4 988 h，達到了風能豐富區的指標。1月以西北風為主(風頻33.3%)，7月以偏南風為主(風頻36.9%)，如圖1所示。冬夏風向交替顯著，從全年各風向頻率看，西北風向頻率最大為11%，南風次之為9%，東風最小僅2%，而其他風向都在5% ～7%[2]。風向以西北偏北風出現的頻率最多，風向穩定，有利于風力發電機布局與高效利用。

表1 大慶地區測風塔月平均風速 m/s

圖1 風向頻率玫瑰圖

2 抽油機風電-網電互補供電系統設計

目前在各油田中應用最廣泛的是游梁式抽油機，它具有結構簡單、維護周期長、維修費用低等優點，但存在耗電量大、效率低等缺點[3]。由于抽油機必須保持連續的工作狀態，除了保養和維修時停運，其它時間必須是全天24小時不間斷工作，要求供電電源具有高安全性和高穩定性。所以應在油田采區抽油機的空隙內布置中、小型風力發電機，與周邊數臺抽油機構成分布式供電系統，并與整流器、逆變器有機結合，組成風網互補的抽油機供電系統。有風時優先利用風電，不足的部分由網電及時補充，最大限度地維持供電的連續性，克服獨立運行風力發電機的缺點。

2．1 風能資源測算

為合理地反映該地區風能資源情況，選取多年平均風速3.73 m/s作為10 m高度基本風速進行測算，風速梯度公式為

式中:vh為距地面高度為h處的風速，m/s;vi為高度為hi處的風速，m/s;n為經驗指數，取0.3。

將該地區風速換算成30 m高度風速應為5.18 m/s。

2．2 風力發電機選型

目前，中、小型風力發電機主流單機容量在1～100 kW，其中20 kW、30 kW級機組裝機量最大、技術最為成熟。考慮到本項目特殊的風網互補設計，要求風力發電機在低風速段具有較高的發電效率，故優先考慮直徑15 m葉輪的30 kW FD15-30/12風力發電機，同時采用直驅永磁技術能夠進一步優化該風力發電機的低風速發電效率，所選風力發電機參數見表2。

表2 風機主要技術參數

2．3 風力發電機與抽油機容量配比優化設計

設計采用 FD15-30/12型風力發電機為CYJ10-3-37HB型抽油機供電。該抽油機電機額定功率37 kW，根據現場提供的數據資料顯示，單臺電動機實際有功功率僅為14.2 kW。結合風速與功率對應曲線(見圖2)，根據容量系數法計算出1臺額定功率30 kW風力發電機共同為2臺抽油機供電時，其效率最高、經濟性最好。

圖2 30 kW風力發電機功率曲線

2．4 發電量估算

風輪機功率公式為

式中:P為風機輸出功率，W;ρ為空氣密度，kg/m3;r為風輪半徑，m;vm為平均風速，m/s;Cp為風能利用系數。

由風輪機功率公式計算出該風力發電機在30 m輪轂高度時，年平均輸出功率為6.02 kW，年理論發電量為5.27×104kW·h，年利用小時數為1 756.7 h。

2．5 風電-網電互補供電控制系統設計

由于風力發電機發出的電能具有間歇性和隨機性，采用風電-網電互補的方式將整流器、逆變器有機結合，有風時優先用風電，不足的部分由網電及時補充，最大限度地維持供電的連續性，具體控制過程如圖3所示。

圖3 抽油機風電-網電互補供電系統結構示意圖

抽油機電動機通過轉換開關連接到供電電源，控制系統可以對各臺抽油機進行電源切換操作。風況優良時，風力發電機發出的交流電經過整流器轉換成較穩定的直流電，再經過逆變器將直流電逆變成交流電后對負載進行供電。風力發電機發出的電能能夠滿足設備用電時，全部用風電;風能不足時，網電的電能自動補足;無風時，全部用網電。風電與網電互補過程中無斷電切換，全部自動在線轉換。由于采用直流逆變方式供電，功率因數大大提高[4]。

3 經濟效益及環境保護分析

3．1 經濟效益分析

大慶油田風能較豐富，風力發電機有效風速累計小時數達到1 756.7 h，考慮在大慶偏遠井場安裝1臺容量為30 kW的風力發電機組為2口油井供電。項目實施后，輪轂高度(30 m)平均風速以5.18 m/s計，工業用電價格以0.61元/kW·h計，風力發電機成本以10 000元/kW計，2口油井年節約電量及經濟效益計算如表3所示。

表3 風機發電經濟效益預測分析表

3．2 環境保護分析

項目實施后，年可節約電量5.27×104kW·h，按照節約1 kW·h電量可減少排放0.272 kg碳粉塵、0.997 kg二氧化碳(CO2)、0.03 kg二氧化硫(SO2)、0.015 kg氮氧化物(NOX)計算，年可減少污染物排放69.24 t，具體數據見表4。

表4 減少各類污染物排放量

4 經濟評價

4．1 投資分析

本項目財務內部收益率8.69%，大于行業基準收益率8%，凈現值大于零。投資靜態回收期低于行業基準值。所以，此項目在財務上可行。

4．2 敏感性分析

本項目選用建設投資、經營成本、收入作為敏感性分析的影響因素。經分析，建設投資和收入對項目經濟效益敏感程度影響較大，經營成本敏感程度較小，項目整體具有一定的抗風險能力。

4．3 盈虧平衡點分析

本項目初期投資30萬元，以20 a計算，期內設備殘值率取10%，則年折舊成本1.35萬元。根據圖4計算出盈虧平衡產量2.41×104kW·h，設計生產能力利用率45.7%。所以，本項目盈虧平衡點較低，整體抗風險能力較強。

圖4 盈虧平衡分析圖

年折舊費為

盈虧平衡產量為

設計生產能力利用率為

5 結語

抽油機采用風網互補供電方式，無論是環保、技術還是經濟上都是可行的。風能作為一種清潔、可再生能源，即可達到節能減排的目的，又完全符合我國能源可持續發展的政策，產生的經濟效益和社會效益非常明顯。

[1]張維平，吳忠萍.榆樹林油田調高抽油機系統效率礦場試驗[J].大慶石油地質與開發，2003，22(5):42-43.

[2]李冰，趙玲，杜暢.大慶油田風能資源評價[J].沈陽工程學院學報:自然科學版，2011，7(4):298-300.

[3]劉長年.液壓式與機械式兩種抽油機的效率分析[J].液壓與氣動，2004(6):41-43.

[4]彭進.抽油機離網風力供電可行性研究[J].大眾科技，2009(3):97-99.