大慶油田抽油機分布式風網互補供電系統可行性分析與研究

張旻（大慶油田有限責任公司質量節能部）

引言

大慶油田于1960年投入開發建設，隨著開采時間的延長，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，經濟效益下降。走低成本戰略，降低能耗、減少生產成本，是大慶油田持續推進提質增效的一項重點任務。據了解，大慶油田機械采油井數已經達到3萬余口，采油生產用電量占油田總用電量的三分之一左右。其中抽油機井占機采油井數的88%，其生產用電量占機采井的70%左右。根據大慶油田采油一廠一礦抽油機耗電量及系統效率統計（表1），可以看到抽油機耗電量巨大，是油田耗電的主要設備，也具有巨大的節能空間。

表1 大慶采油一廠一礦抽油機耗電及系統效率統計

風力發電在當今新能源開發利用中技術成熟，是具備開發條件、發展前景良好的項目，有利于改善能源結構。研制和開發應用新型、高性能、環保型的風電、網電并聯供電系統對于實現充分利用風能、大幅減低能耗具有十分重要的意義[1-2]。

1 分布式風網互補供電系統

1.1 分布式供電系統

分布式電源是以風力發電為主的小模塊式并且與環境保護兼容而且分布在負荷附近的經濟、高效的獨立電源。分布式電源既可以獨立的方式運行為特殊用戶單獨供電，也可以與電網互補共同為用戶供電。與傳統發電技術相比，分布式電源更靠近用戶，不需要高壓輸電系統，因此可減少基礎設施的投資，而且建設周期短、運行費用低，使其與電網聯合運行可提高系統的經濟性、安全性和靈活性，同時可以滿足油田可持續發展的要求，減少對環境的破壞。分布式風網互補供電系統具有以下優點：

1）可以合理利用清潔能源，減少發電過程中的廢氣排放。

2）在配電網中，由于負荷增長而供電設備的物理容量不足時，可以適當建立分布式供電系統來滿足局部負荷的增長，減少改造供電設備的投資，同時也可以用來彌補用電高峰時的缺口。

3）在配電網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 抽油機風電-網電互補供電系統結構示意圖

1.2 風電-網電互補供電系統原理

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。在風況優良時，風力機發出的交流電經過整流器轉換成較穩定的直流電對蓄電池進行充電，再經過逆變器將直流電逆變成交流電后對負載進行供電[3-4]。當風力發電機發出的電能，能夠滿足設備用電時，全部用風電，若風能不足時，網電的電能自動補足，若無風時，則全部用網電。風電與網電互補過程中無斷電切換，全部自動在線轉換。同時，由于采用直流逆變的方式供電，功率因數大大提高，有效降低無功損耗。抽油機風電-網電互補供電系統結構示意圖見圖1。

2 互補供電系統的建立及運行

目前，各油田中應用最廣泛的是游梁式抽油機，它具有機構簡單、維護周期長、維修費用低等優點，但是存在耗電量大、效率低等缺點。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 h不間斷的工作，所以要求供電電源具有高安全性和高穩定性。而風力發電機具有間歇性和隨機性，發出的電能不便儲存。采用風電-網電互補的方式，將整流器、逆變器和蓄電池有機結合，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，克服獨立運行的風力發電機發出的電能不便儲存的缺點。

2.1 建立風電-網電互補供電系統的原則

1）維持供電的連續性和可靠性，保證抽油機安全、平穩運行。

2）就地安裝風力發電機，不需要進行并網傳輸。

3）風電能力不足時，用網電補償差額有功功率。

4）當風力發電機故障時，系統自動切換到網電運行。

5）通過風機控制系統，僅需3 m/s以上風力即可發電，當風力很大時，系統通過調節槳葉切風角改變風機受力狀況。

6）系統應具備準恒溫調節功能，適應惡劣的氣候環境，無論在炎熱的夏季或寒冷的冬天，系統均可確保室外運行[5]。

2.2 供電系統的運行及控制過程

1）啟動。由于各抽油機電動機負載較大，導致啟動電流較大，所以考慮采用網電啟動電動機。當負載運行平穩后，將自動轉切至風力發電機供電模式[6]。

2）運行。正常運行時，風力發電機直接供抽油機用電，并向蓄電池充電。當風力發電機不能滿足負荷需要時，由蓄電池補充差額。當蓄電池放電接近完成，而且風力發電已經不能滿足需要時，系統自動切換到網電供電狀態。

3）故障。當系統出現故障時，控制系統對故障源進行初步判斷，并按照預定的方式進行相關操作。

3 風力發電機的匹配選型

根據大慶氣象臺1980—2010年氣象資料統計（圖2），其多年平均風速為3.5 m/s。為合理地反映該地區風力資源情況，選取多年平均風速3.5 m/s作為10 m高度基本風速進行測算。

圖2 大慶地區月平均風速直方圖

根據風速梯度公式，該地區風速換算成30 m高度風速應為6.3 m/s。

式中：V0——大慶地區平均風速，m/s；

H0——大慶地區平均風速的基準高度，m；

Hn——風機高度，m；

Vn——風機高度下平均風速，m/s。

以大慶油田采油一廠CYJ10-3-37HB型抽油機為例，電動機額定功率為37 kW，根據現場提供的數據資料顯示，單臺電動機平均使用功率14.2kW。根據某風電設備有限公司制造的HY10-AD7.8變漿距風力發電機組的主要技術參數（表2），結合風速與功率對應曲線，根據容量系數法計算出5臺額定功率20 kW風力發電機共同為7口抽油機供電時，其效率最高、經濟性最好。

表2 風機主要技術參數

根據大慶當地風資源狀況，結合選定的風機機型和風電機功率曲線，推算風電發電機組標準狀態下的理論年發電量21.9×104kWh，年等效負荷小時數為2190 h。

式中：P——理論年發電量，kWh；

Q——額定功率，kW；

V平均——風機高度下風速，m/s；

V額定——額定風速，m/s；

t——運行時間，h。

4 綜合效益分析預測

4.1 節能減排效果

大慶油田電網是我國最大的企業電網，主要電廠為燃煤電廠，發電用煤需求量大。隨著經濟的發展，油田用電負荷將持續增長，發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。在大慶油田，尤其是偏遠井場開發利用小規模清潔的可再生能源供電系統，即可解決外圍采油井場供電需求問題，又可達到節能減排的目的，符合我國能源可持續發展的相關政策，風電應用前景明朗。

表3 風機發電經濟效益預測分析

4.2 經濟效益分析預測

由于大慶油田地處風能較豐富區，經過風速高度換算，30 m高度全年平均風速6.3 m/s，風機有效風速累計小時數達到2190 h。考慮在大慶偏遠井場安裝5臺容量為20 kW的風力發電機組共同為7口油井供電。

項目實施后，風機有效運行時間以2190 h計算，輪轂高度（30 m）平均風速以6.3 m/s計，用電價格以0.61元/kWh計，風力發電機成本以10000元/kW計，抽油機年耗電量以2010年大慶采油一廠一礦CYJ10-3-37HB型抽油機為依據〔313.3kWh/(d·臺)〕計算。則7口油井年節約耗電量及經濟效益計算如表3所示。

通過對該供電系統的經濟效益和社會效益分析表明，采用5臺20 kW風電與網電互補為7口油井供電，對比單純由電網供電型式，預測全年風力發電量可占總用電量的27.4%，年均可節約電費成本89 790元。按照節約1 kWh電量計算，年可減少碳粉塵排放 59.6 t、CO2218.3 t、SO26.6 t、NOx3.3 t。

5 結論

通過以上分析，可以看出抽油機采用風-網互補供電方式，無論是環保、技術還是經濟上都是可行的。而且風能作為一種清潔的、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都非常明顯。同時，大慶油田既是產能大戶，更是耗能大戶，有效廣泛開展風電技術的研究與應用對于大慶油田節能降耗工作具有十分重要的意義。