塔河油田邊遠單井新能源供電可行性研究

馬國銳 呂秀芹　（中國石化西北油田分公司采油一廠）

塔河油田邊遠單井新能源供電可行性研究

馬國銳 呂秀芹（中國石化西北油田分公司采油一廠）

中國石化西北油田分公司塔河油田作業(yè)區(qū)塊位于新疆塔里木盆地塔中、塔北、巴楚及塔西南山前等地，作業(yè)環(huán)境惡劣，井位分布廣泛，存在數(shù)量眾多的邊遠單井。這些邊遠單井普遍存在著產(chǎn)量低、分布散、環(huán)境惡劣、地質情況復雜、油氣豐度低等特點，在該類井場鋪設常規(guī)輸電管線存在工期長、施工復雜、長距離運輸電能損耗等問題，經(jīng)濟效益低下。研究出太陽能光伏供電系統(tǒng)、風力發(fā)電供電系統(tǒng)與風光互補供電系統(tǒng)，適用于塔河油田邊遠單井供電，可以有效解決該類問題。

邊遠單井；新能源；可行性

引言

為了實現(xiàn)千萬噸級油氣田的目標，塔河油田邊遠井逐年增多。邊遠單井由于其自身特性，存在著輸電供電難、經(jīng)濟效益低的問題。在當前世界油價低迷的環(huán)境下，成本控制更加緊迫。

中國石化西北油田分公司塔河油田生產(chǎn)區(qū)塊位于塔里木盆地北端，天山南面，地理位置獨特。新疆該片區(qū)域夏季干燥，冬季嚴寒，有著得天獨厚的地理特性，晝夜溫差大，年降水稀少，太陽輻射豐富，蒸發(fā)量大，全年的日照時間為2778.1 h，全年太陽總輻射135217 cal/cm2，全年日照率為63%；塔河油田工區(qū)風力較大，但常常伴隨風沙，全年風速為1.6 m/s，通過統(tǒng)計，平均每年各月大風天數(shù)為13.9 d，部分地區(qū)的大風天每年可達300次以上[1]。塔河油田有著豐富的太陽能和風能，善加利用這兩類新能源，可以有效地解決邊遠單井供電問題，最終達到少投入、多產(chǎn)出的目的，實現(xiàn)可觀的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

1　新能源可行性分析與實例

塔河油田邊遠單井所需用電負荷構成十分簡單，由機抽動力系統(tǒng)和基本生活用電（電腦、照明等）2部分組成，其中，基本生活用電約為2 kW，在塔河油田常規(guī)使用的抽油機類型為游梁式抽油機，10型和14型游梁式抽油機為其中應用較為廣泛的機型，其配套電動機功率分別為22 kW和37 kW，依此取機抽動力系統(tǒng)約為25 kW，考慮冬夏用電負荷的不同，邊遠單井所需日耗電量約為25～30 kW。

1.1太陽能

太陽能是目前地球上分布最為廣泛、資源量最為巨大的清潔可再生能源，世界各國都視開發(fā)利用太陽能為解決能源危機的主要手段之一。塔河油田位于新疆塔里木盆地，全年太陽總輻射135217 cal/cm2，有著豐富的光照資源。

1.1.1系統(tǒng)組成與工作原理

應用于塔河油田邊遠單井的太陽能光伏供電系統(tǒng)其基本組成為：發(fā)電部分利用多晶硅電池板矩陣完成光-電的轉換；調(diào)控部分負責系統(tǒng)不同部分的銜接、組合、充放電的調(diào)配；蓄電部分負責儲存轉換的電能，同時補充不足的電量；供電部分負責為單井負荷提供穩(wěn)定電能；監(jiān)測部分負責監(jiān)測設備運轉情況，如圖1所示。

圖1　太陽能光伏供電系統(tǒng)基本組成

由多晶硅電池板組成的光伏陣列可以靈活地調(diào)整電池板塊數(shù)量，形成集成供電，滿足塔河油田邊遠單井所需25～30 kW的日耗電量；并網(wǎng)逆變器將光伏陣列產(chǎn)生的直流電源轉化成常規(guī)交流電源，而雙向逆變器主要是根據(jù)負載的要求調(diào)節(jié)蓄電池組的充放電轉換；控制器主要是用來協(xié)調(diào)電池板、柴油發(fā)電機、蓄電池組等不同系統(tǒng)部分的運行，為邊遠單井運作提供持續(xù)穩(wěn)定的電源，其中，柴油發(fā)電機主要是作為系統(tǒng)的補充電源；監(jiān)測系統(tǒng)是用于實時反饋現(xiàn)場的太陽輻射量、風速等環(huán)境數(shù)據(jù)，便于管理中心進行調(diào)控。

1.1.2應用實例

AT22井位于塔河油田主力區(qū)塊以南，屬于塔河阿探片區(qū)，該井距離塔河油田采油一廠52 km，交通狀況惡劣，是一口具有代表性的邊遠單井。通過長期的準備，AT22井場光伏發(fā)電系統(tǒng)于2012年3月正式投運，系統(tǒng)運行至今，生產(chǎn)工作運轉正常，年最大日發(fā)電量達到240 kWh，最高負荷能力達到40 kW，滿足了現(xiàn)場的用電負荷需求[2]。

1.2風能

風能是一種良好的可再生綠色新能源，雖然存在不穩(wěn)定性的缺點，但與其他資源相比更加清潔便利。塔河油田工區(qū)處于新疆風區(qū)范圍，常年伴有大風，平均風速可達1.6 m/s，據(jù)統(tǒng)計，平均每年大風天數(shù)達到170 d，部分大風地區(qū)甚至高達300 d以上，擁有豐富的風能資源。

1.2.1系統(tǒng)組成與工作原理

邊遠單井的風力發(fā)電供電系統(tǒng)其基本組成為：風力發(fā)電部分；調(diào)節(jié)儲能部分，包含控制器、逆變器、蓄電池、整流器以及相關附屬部件；供電部分：負責為單井負荷提供穩(wěn)定電能，如圖2所示。

圖2　風力發(fā)電供電系統(tǒng)基本組成

機抽井除了日常的保養(yǎng)和維修外，正常生產(chǎn)過程中處于不間斷的工作狀態(tài)，因而對供電電源的穩(wěn)定性提出了較高的要求，為了解決風力發(fā)電不穩(wěn)定的問題，需要配備相應的電能存儲單元，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運轉：風力通過風輪帶動低速永磁同步發(fā)電機轉化成不穩(wěn)定的交流電源，經(jīng)過整流器的調(diào)整，形成穩(wěn)定的直流電源，此時，若風能充足，則轉化的直流電一方面通過逆變器向用電機組供電，另一方面向蓄電池充電，若風能波動較大，無法形成足夠的電流，則由蓄電池處于主供電位置，帶動用電機組運轉。

1.2.2應用實例

車26井位于勝利油田分公司河口采油廠，地處渤海灣北部，屬于常年伴風區(qū)域，風能較為豐富[3]。該井屬于預探井，井場偏遠，未接入供電管網(wǎng)，具有邊遠單井的特征。截至目前，車26井風力發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)投運3年，風力發(fā)電量滿足該井不間斷工作及相關配套設備，期間未發(fā)生嚴重停電影響生產(chǎn)事故，說明風力發(fā)電系統(tǒng)應用于邊遠單井的可行性。

1.3風光互補

塔河油田地處南疆塔里木盆地北端，晝夜溫差大，雖然有著豐富的太陽能和風能資源，但是該地部分區(qū)域天氣變化反復無常，時常出現(xiàn)強風沙天氣，影響能源的高效利用。光能和風能在塔河油田局部地區(qū)成互補趨勢，太陽光照強烈的天氣下風力往往較小，無法形成持續(xù)供能，而風力較大時會伴隨沙塵天氣，影響太陽能的采集與轉化。在此類地區(qū)，使用單一的新能源供電效果不理想，風光互補供電系統(tǒng)是解決該類地區(qū)邊遠單井供電的首選。

風光互補系統(tǒng)其基本組成為：發(fā)電部分：太陽能電池板矩陣與風力發(fā)電機；調(diào)控部分：太陽能調(diào)控器、風能調(diào)控器與雙向調(diào)控器；蓄電部分：蓄電池組；供電部分：提供穩(wěn)定工作電流，如圖3所示。通過太陽能電池板矩陣與風力發(fā)電機將光能與風能轉化成交流電源，由太陽能調(diào)控器與風能調(diào)控器調(diào)整電流匯總至雙向調(diào)控器處，經(jīng)過電路控制與檢測后，根據(jù)程序安排，輸出為平穩(wěn)的工作電流供用電機組使用，過剩電流輸入蓄電池轉作備用電源。此時，太陽能與風能形成互補，確保位于天氣頻繁變化區(qū)域的邊遠單井生產(chǎn)正常進行。

圖3　風光互補供電系統(tǒng)基本組成

2　方案及效益分析

對于邊遠單井的生產(chǎn)，由于地理環(huán)境及現(xiàn)場條件的局限性，供電方式是使用柴油機組或天然氣機組供電，在此選取柴油機組供電系統(tǒng)、太陽能光伏供電系統(tǒng)、風力發(fā)電供電系統(tǒng)與風光互補供電系統(tǒng)4種進行方案及效益對比。

將4種供電系統(tǒng)進行方案細化對比，分別從供電可靠性、人工勞動量、節(jié)能環(huán)保3個方面進行闡述，如表1所示。

表1　邊遠單井4種供電系統(tǒng)方案細化對比

將4種供電系統(tǒng)費用組成分為設備投資費用和運行養(yǎng)護費用2部分。

設備投資費用：

1）柴油機組供電系統(tǒng)：65 kW柴油發(fā)電機年均租賃費用約為6萬元。

2）太陽能光伏供電系統(tǒng)：考慮折舊的因素，蓄電池8年折舊年限、電池板等其他設備按12年折舊年限計算，估算年折舊費用約為12萬元。

3）風力發(fā)電供電系統(tǒng)：考慮折舊的因素，蓄電池8年折舊年限、風力發(fā)電機組等配套設備按10折舊年限計算，估算年折舊費用約為5萬元。

4）風光互補供電系統(tǒng)：采用某知名企業(yè)的投資估算，采用風光互補發(fā)電技術系統(tǒng)折算年均投資為7.6萬元。

運行養(yǎng)護費用：

1）柴油機組供電系統(tǒng)：65 kW柴油發(fā)電機年均消耗柴油量為60 000 L，根據(jù)現(xiàn)在市場價格，費用約為40萬元，同時，柴油機組需要留守人員值班，人工費用按每年12萬元計算，考慮維護等因素，該系統(tǒng)年均運行費用為53萬元。

2）太陽能光伏供電系統(tǒng)：光伏電池板清潔與系統(tǒng)維護等費用呈年遞增趨勢，取12年平均值，該系統(tǒng)年均運行費用為2萬元。

3）風力發(fā)電供電系統(tǒng)：風力發(fā)電機組清潔養(yǎng)護與系統(tǒng)保養(yǎng)等費用呈年遞增趨勢，取10年平均值，該系統(tǒng)年均運行費用為3萬元。

4）風光互補供電系統(tǒng)：光伏電池板和風力發(fā)電機組的清潔養(yǎng)護和系統(tǒng)維護等費用年均3萬元。

將4種供電系統(tǒng)費用組成進行對比，如表2所示。通過兩張表的對比可以看出，在滿足邊遠單井用電需求的前提下，太陽能光伏供電系統(tǒng)、風力發(fā)電供電系統(tǒng)和風光互補供電系統(tǒng)都有著很好的長效經(jīng)濟效益，并且在人工勞動量和節(jié)能環(huán)保方面也有著相當?shù)膬?yōu)勢，適合選取作為塔河油田邊遠單井的供電系統(tǒng)組成。

表2　邊遠單井4種供電系統(tǒng)方案費用組成對比

3　結論

通過論證，太陽能光伏供電系統(tǒng)、風力發(fā)電供電系統(tǒng)與風光互補供電系統(tǒng)3種新能源供電系統(tǒng)適用于塔河油田邊遠單井供電，但針對不同單井，應具體分析現(xiàn)場環(huán)境，優(yōu)選方案：

1）長期處于太陽光照充足，降雨降雪量少，風沙天氣少的邊遠單井優(yōu)選太陽能光伏供電系統(tǒng)。

2）長期處于大風天氣，常伴有風沙的邊遠單井優(yōu)選風力發(fā)電供電系統(tǒng)。

3）大風伴風沙天氣與晴朗無風天氣交替頻繁的邊遠單井優(yōu)選風光互補供電系統(tǒng)。通過建立不同新能源供電系統(tǒng)，可逐步形成新的供電網(wǎng)絡，為油田企業(yè)創(chuàng)效增效提供新的契機。

[1]關俊嶺.西北地區(qū)油田偏遠井場光伏發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)與應用[J].石油石化節(jié)能與減排，2013，4（3）：23-26.

[2]岳吉祥，孫殿新.風力發(fā)電驅動直線電動機電潛泵應用研究[J].石油機械，2015（7）:84-86．

[3]孫楠，邢德山，杜海玲.風光互補發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展與應用[J].山西電力，2010（4）:55-56．

（編輯王艷）

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.06.001

馬國銳，2013年畢業(yè)于中國石油大學（北京），從事采油生產(chǎn)管理工作，E-mail：atree1988@163.com，地址：新疆輪臺中國石化西北油田分公司采油一廠，841600。

2015-12-14