大港油田新能源開發技術經濟評價與應用

程靜 葛紅江 孫凱（中國石油大港油田采油工藝研究院）

前言

石油屬于不可再生資源，同時以石油為代表的石化能源的生產和消費引發的環境問題越來越嚴重，已成為制約人類實現可持續發展的主要障礙之一，加上石油的高價位等因素，迫使世界各國尋求石油替代產品。石油替代產品和新能源的開發利用是目前能源開發的熱點領域[1-2]。大港油田位于中國沿海環渤海區域，屬于太陽能資源和風能資源較豐富區，開發利用太陽能、風能具有相當大的潛力[3]。若能將太陽能、風能應用于油田的生產和生活中，將在節能降耗、綠色環保方面起到積極的示范與推廣作用[4]。

1 新能源資源潛力調查

1.1 土地資源量

大港油田礦區范圍的土地，是公司寶貴的資源和財富，也是新能源開發的基礎。大港油田公司現有土地面積約23.7萬畝，其中耕地面積3.9萬畝。工業用地可以很容易轉成種植用地，預計極限可用耕地6.3萬畝。

1.2 太陽能資源量

大港油田太陽能資源屬三類中等區。參照《太陽能資源測量方法總輻射》、《太陽能資源等級總輻射》兩項太陽能資源評價相關國家標準。多晶硅的光轉換效率在6%～10%，單晶硅的光轉換效率在15%以上，天津地區年太陽輻射量120～140 kcal/cm2，太陽能發電站平均每1.0 MW占地40畝。若用大港油田1%的工業土地，約2000畝，用于太陽能開發，則總裝機功率在50 MW左右，相當于天津大港發電廠總功率的1/22，可供2500口油井生產用電。

1.3 風能資源量

參照GB/T 18709—2002《風電場風能資源測量方法》、GB/T 18710—2002《風電場風能資源評估方法》、《全國風能資源評價技術規定》估算大港油田風能資源量：風能功率密度在200～300 W/m2以上，每年可利用的小時數在5000 h以上，平均每天10 h。大港油田為風能資源豐富區。平均風速雖然不是很高，但風頻分布比較適合，具有穩定的主導風向，風的質量很好，且有效小時數高，風資源可利用時間較長。在這種風況下，風機的設計和運行都非常經濟。目前技術條件風力發電站平均每1.0 MW占地少于2畝。若用大港油田1%的工業土地，約2000畝，用于風力發電，則總裝機功率在1000 MW左右，相當于天津大港發電廠總功率的75%，可供5000口油井生產用電。

1.4 地熱資源量

參照《淺層地熱能勘查評價技術規范》，平均每口地熱井控制的地下面積約7.5畝，5000 m2。每口井日產熱水多于400 m3，換熱溫差30℃，則單井熱功率為579 kW，每1.0 MW占地少于25畝（地下面積）。若用大港油田1000口報廢井轉化成地熱井，則總裝機功率在580 MW左右。若1年運行150天，則節約取暖燃煤26×104t，約為大港油田冬季采暖用煤量217%。（華北地區供熱面積每50×104m2，每年用煤量約1×104t）。

1.5 植物能源資源量

大港油田周圍50 km半徑內可利用植物秸稈量合計98.6×104t，折合49.3×104t（標煤），可開發約24.6×104t生物質油。油田公司土地可種植能源植物約6.3萬畝，最大產量為11.97×104t。折合約6.0×104t(標煤）。可開發出約2.99×104t生物質油。以上合計植物能源總資源量約為110.6×104t（干物質）。年折合55.3×104t（標煤），可生產27.6×104t生物質油。

2 新能源開發技術經濟評價

新能源資源總量不等于可開發新能源資源總量。受經濟、政策、土地、地方關系、商業利益、技術等因素影響[5]。很多新能源是難以得到利用的，為此需要進行綜合經濟技術評價。

2.1 經濟指標評價

模擬投資建設一個一定規模的發電廠，采用不同新能源形式進行投資和收益估算。如假設總裝機功率20 MW，則不同新能源構成為：10臺2 MW風電動機組的風力發電場；20 MW的太陽能光伏發電場；20 MW的地熱發電站或供熱站；20 MW的生物質燃料發電站。

對以上4種形式的新能源電廠進行了投資估算。不考慮稅收和征地費用，也不考慮政府補貼。新能源經濟評價的結論由電價等各項參數決定，包括電價、油價、煤價、天然氣價格；技術進步導致的主要設備價格降低；國家政策、政府補貼、稅費、貸款利率；人員工資福利；植物原料、消耗性材料價格；副產品的銷售收益、副產物的處理費用等變量將顯著影響經濟評價結果。當以上變量發生改變時，經濟評價的結論會相應改變。估算結果除了風力發電外全部虧損，經濟上可行。

2.2 特殊應用條件下的經濟評價

在某些特殊條件下，新能源可能會提供相對經濟的電力解決方案。對于采油廠偏遠井組和偏遠的單口間開井的用電，目前主要使用柴油機供電，按對37 kW抽油機電動機供電計算，每天消耗柴油接近200 L/井，則每天消耗柴油近1500元/井，每年僅此成本將超過30萬元/井。特別對于偏遠單口間開井，用柴油機臨時用電投入產出比將變得非常低。這種用昂貴能源來生產原油的模式造成了極大的資源浪費，違背當前節能減排、降本增效的大形勢。

在離網型間歇生產工況下，新能源比市電、柴電具體投資和運行具有經濟優勢，如37 kW單井離網型間采油井每3天生產1天，1天采油2 t，每年可形成產值19.2萬元。

3 抽油機風光電互補系統應用

采油二廠共管理著34個單井拉油點（43口單井），單井點采用柴油發電動機供電和電網供電兩種方式保障生活和生產用電。全廠共有10個單井點完全依賴柴油發電動機供電維持生產和生活，有2個單井點依靠汽油發電動機發電供應生活用電。另外22個單井點采用電網供電。

3.1 風光互補系統優化配置及影響因素分析

風光互補特性在很大程度上影響風機和光伏容量配置[6]。要想合理配置儲能的容量，使得凈收益最大，首先要根據風光互補特性，合力配置風機和光伏組件的容量，分析在只有風機和光伏組件情況下的經濟收益以及系統運行情況，然后再配置儲能裝置，進一步分析系統經濟收益及系統運行情況。

風光資源分布特性：風資源和光照資源具有一定的互補性，風資源呈現出白天風速相對較小，晚上風速相對較大，夏季風速相對較小，冬季風速相對較大的特點。光照資源滿，白天11點至14點時光照最強，早上6點前和下午19點后，光強很弱甚至為零。夏季光照較好，冬季光照較弱。

3.2 風光互補系統結構

風力發電動機和光伏組件都通過變流器、變壓器連接到配網交流母線，負荷也通過變壓器連接到交流母線。在系統運行過程中，需要風機、光伏和電網協調出力，負荷功率需求優先由風電和光伏發電來補充，當分布式系統出現功率缺額或功率過剩時，才通過母線與電網進行能量交互（圖1）。

3.3 風光電互補發電系統技術采用方案

針對油井不同工作制度以及井場用電多少，在系統的建設前期，需要對風機裝機功率和太陽能裝機功率進行匹配，設計了風光電互補發電系統構成方案，以滿足現場生產生活需要。

技術解決方案為：風光市電互補（3臺20 kW風機，18.2 kW，280 W單晶硅太陽能電池板65塊）。

圖1 風光電互補發電系統拓撲圖

4 現場實施應用及效果分析

2015年在采油二廠張21-1井場進行風光電互補發電系統試驗應用。改造前井場配置1臺90 kW柴油發電動機組；柴油發電動機日平均消耗柴油230L。其中，抽油機停機期間，每日井場日常生活用柴油機發電消耗30 L。

張21-1井場用電耗能情況：抽油機每隔2天運行1天，間歇運行。理論24 h耗電能：888 kWh；年耗電能4.38×104kWh。值守人員生活用電日耗電60 kWh；年耗電2.19×104kWh，則全年平均每天消耗電180 kWh。

張21-1采油井場間歇采油，抽油機平均每3天生產1天，井場值守人員全天候值班，柴油發電動機全年運行，抽油機全年消耗17086.68L；值班室全年消耗78541L；全年消耗柴油共計25 627.68 L。

風光電互補發電系統應用后，日均發電量180.03 kWh，則年均發電量為65 712 kWh；年節約柴油量25 627.68 L，年節約柴油192 207.6萬元，折算消耗煤炭21.685 t，年減少CO2排放56 901.34 kg。由此可以看出，風光電互補發電系統產生了較大的社會效益。

5 結論

1）完成了大港油田新能源資源潛力調查，按可開發難易程度排序依次為：風電、太陽能、地熱、植物能源。

2）從等規模經濟指標和特殊條件下兩個角度對可開發新能源進行了綜合經濟技術評價。新能源經濟評價的結論受國家補貼等各項參數影響很大。

3）在偏遠場站，新能源電力具有小規模利用的經濟價值。張21-1井場成功應用抽油機風光電互補發電系統為邊遠區塊場站提供了相對經濟的電力解決方案。為邊遠區塊進一步開采、穩產開辟了一條節能、降耗的新路。

參考文獻：

[1]鄒才能，趙群，張國生，等.能源革命：從化石能源到新能源[J].天然氣工業，2016，36（1）：1-10.

[2]龔國平.清潔（可再生）能源綜合發電技術綜述[J].上海節能，2015（12）：661-663.

[3]畢研濤，王丹，李春新.全球可再生能源發展現狀展望與啟示[J].國際石油經濟，2016，24（8）：62-66.

[4]呂晶峰.我國風能產業發展及政策研究[D].北京：中央民族大學，2013.

[5]景春梅，王成仁.我國風電產業可持續發展的戰略選擇[J].宏觀經濟管理，2010（10）：24-26.

[6]王侃宏，李昔真，楊震.可再生新能源風光互補發電系統的研究應用[J].節能，2017（2）：4-8.