太陽能輔助供電節能式抽油機

韓東穎 蘇連超 劉佳麗 郭長佳 馬鵬飛

摘 要：游梁式抽油機是原油生產的主要設備，其設備成本和耗電量占油田生產成本的很大比重。為了解決游梁式抽油機的節能問題減輕油田的經濟負擔，人們嘗試了各種改進。應用了無功補償器和節能型變壓器等來提高配電質量；為了提高電機效率，應用抽油機節電箱和集中控制節能裝置，應用永磁電機和多功率電機，采用間抽技術等；應用油井參數優化技術來提高抽油機效率。為了抽油機的節能，我們將日益發展的太陽能光伏發電技術大膽地利用在了油田抽油機系統當中，通過對于可再生能源太陽能的充足利用來節省油田電力消耗節約油田經濟成本。通過方案設計和思考計算，并制作了簡單的模擬模型，認定了并網光伏供電系統作為油田抽油機太陽能節電的具體方案且具備一定經濟可行性。

關鍵詞：抽油機 太陽能 并網光伏供電系統 節能

中圖分類號：TK51 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（a）-0155-02

游梁式抽油機作為油田生產的重要能耗設備，是目前各油田普遍采用的抽油機。這種抽油機設計結構簡單，操作復雜性小，并且故障率低，在石油開采過程中能夠為井下的抽油泵系統提供動力，但卻普遍存在著高能耗、低產出、沖程和沖次調節不方便等明顯的缺點[1]。為了解決游梁式抽油機的節能問題，減輕油田的經濟負擔，人們開始嘗試各種改進。于是出現了前置式、異向式等改良式抽油機，出現了高轉差、永磁同步電動機的應用革新，出現了將變頻控制系統在抽油機的應用[2]。

傳統的化石燃料在使用過程中會產生大量污染環境的有害物質，而且，它們都是不可再生的，因此，清潔、無污染的太陽能受到重視。太陽能作為一種可再生能源用于發電的想法早就提出，太陽能光伏供電系統也因多年的發展而日趨完善和靈活。光伏系統的應用具有多種形式，但是其基本原理大同小異。不同類型的光伏系統只是在控制機理和系統部件上根據實際的需要有所不同。根據光伏系統的應用形式、應用規模和負載的類型，對光伏供電系統進行比較細致的劃分，則包括小型太陽能供電系統、簡單直流系統、大型太陽能供電系統、交流直流供電系統、并網系統、混合供電系統和并網混合系統等六種類型[3]。太陽能光伏發電在21世紀將會有更深層次的發展和應用。

2 太陽能供電在抽油機上的應用

抽油機耗電量巨大，僅僅依靠太陽能電池板接收太陽能量轉化成的電能很難滿足高耗電的抽油機系統的正常運轉，除非建立大型的電池板方陣布排足夠多的太陽能電池板才能有足夠的能量提供給抽油機。國內在太陽能應用與抽油機上的嘗試并不多，目前已知的只有新疆油田在太陽能應用到抽油機上做出了大膽的嘗試，并取得了良好的效果。陸梁油田落成的太陽能發電站，如圖1所示，由陸9井并網光伏電站、陸梁公寓離網光伏發電系統等兩個部分組成。該太陽能電站作為太陽能動力負荷采油試驗，供陸9井抽油機生產用電[4]。

雖然陸梁太陽能發電站在試生產階段，每天利用太陽能發電4 h。累計三個月發電超過1萬千瓦小時。但太陽能量的應用基本依賴于天氣的變化和地域的光照情況。圖2為陸9井太陽能發電系統月發電量統計，由圖表可以清晰地看到冬季的陰雨天多及日照強度低兩個因素制約了太陽能電站的發電能力。

3 并網光伏供電系統在抽油機上的應用

新疆油田公司陸梁油田的大膽嘗試給了我們很大啟發，首先，太陽能量的利用本身就受到地域和天氣的制約，也就是說根本無法完全利用太陽能為抽油機進行供電。即便通過蓄電池進行電量的緩沖也達不到如此巨大的耗電量需求。其次，電池板接受太陽能轉化為電能的效率仍舊非常低，若應用較高轉化效率的硅電池板卻又因高昂的價格而得不償失，加上蓄電池里的電力損耗和漏失恐怕到最后剩不了太多。所以將并網光伏供電系統應用在抽油機上有著很好的效果。如圖3為并網光伏供電系統的示意圖。

并網光伏供電系統的特點是當太陽能發出的能量大于負載工作需要的能量時，發出來的電能可以反饋給電網，供給其他的用電負載使用。而當太陽能發出的能量小于負載工作需要的能量時，負載會同時采用太陽能和電網同時供電，用電網來補充由于光照不夠或者沒有光照條件下負載的供電需要[5]。

但是陸梁油田的并網光伏電站的建設實在工程浩大，電站既包括并網系統又包括公寓離網系統。整個大的電站建設完全用于陸9井單井抽油機的日常生產用電，而對于油田如此多的抽油機生產井來說恐怕不能更多地利用太陽能來進行電力供給了。所以能否找到一種最佳的匹配選擇，選擇更加合適的電池板的材質、數量及其安置方式，用更少的工程安裝來完成更大范圍的抽油機井太陽能供電達到更加多的經濟節約。這是我們從新疆油田公司那里收獲的經驗和問題。針對于此我們進行了大膽的選擇、思考和計算，并制作了簡單的模型來模擬流程研究效果。

4 一種基于每一臺抽油機的太陽能光伏供電系統

為了達到為更多、更大范圍抽油機進行太陽能輔助供電的目的，簡約工程施工和占地，從而能夠為每一臺抽油機匹配太陽能供電系統，就必須采取應用蓄電池的方法來完成太陽能的存儲緩沖，同時用更少的電池板外加控制系統來維持電池板實時對準太陽以保證更充分的太陽能吸收，再將電池板連接控制器將電量輸送至蓄電池，蓄電池存儲足夠的電量以后通過逆變器轉換電流形式供給抽油機。當蓄電池的電量足夠時，用蓄電池來供給抽油機，當蓄電池的電量不足時，先用電網供電等待蓄電池充滿電能。蓄電池放電速度肯定遠大于電池板充電速度，當蓄電池放電達到一定量時自動轉換為電網供電蓄電池繼續充電。這樣的充電放電供電過程能夠靈活地避免了天氣狀況的干擾，同時能最大限度把太陽能量應用至抽油機系統。實驗室模型設計流程圖如圖4所示。

太陽能電池板的材質多為單晶硅和多晶硅，單晶硅電池板的價格稍微貴但是轉換效率較高，而多晶硅電池板的價格稍微便宜但是轉換效率較低。其他類型和材質的電池板由于應用范圍不廣，很難在油田應用上有太大突破。考慮到抽油機的耗電量巨大，如果不采用較高轉換效率的電池板單純從經濟方面考慮的話恐怕最后最佳的電池板供電系統不能為抽油機提供足夠的電量，蓄電池周轉不開而不具備恰當可行性。所以電池板還是采用轉換效率較高的單晶硅電池板。

單晶硅材質的電池板一般的轉換效率為15%左右。顯然這是非常低的，完全不能滿足耗電量巨大的抽油機負載的使用。所以不得不考慮更加有效的方法來完成電池板更高的轉換效率。一般的太陽能電池大多采用傾斜固定布置，但是這樣往往失去了一定量的太陽能的吸收。如果為電池板配備旋轉控制系統，讓電池板按照所在地區的經度緯度確定的太陽每個月的大概運行軌跡進行實時校準。如果太陽光線能夠垂直入射到電池板讓其轉化為電能，將能夠將轉換效率提高原有轉換效率的30%左右。

于是在為每一部分電池板配備了旋轉控制系統以后，單晶硅電池板的轉換效率提高到20%。太陽光譜的輻照強度根據不同地區不同天氣不同時間而變化不同，但是基于假設估計可以將太陽光譜的輻照強度設置1000W/m2值。這樣每平方米電池板的輸出功率大概為200W。考慮到抽油機上千瓦的耗電功率，不得不采用更大的電池板來完成。采用面積為4m2面積大的電池板，安裝上旋轉控制系統，然后讓4塊這樣的電池板一條直線排開，讓每塊電池板在校對太陽完成對準的同時不會因為其他的陰影而影響太陽能的吸收。

太陽能電池板配置好以后，通過控制器連接至并網逆變器達到并網工作的目的。但是顯然這幾塊電池板根本供不起耗電巨大的抽油機。所以必須采用蓄電池來緩沖電量，將通過控制器的電池板轉換的電能直接輸送到蓄電池中儲存起來，為蓄電池設置一定的閾值。當電量足夠達到了這個閾值，電網自動關閉采用太陽能充滿的蓄電池以上千瓦的功率為抽油機供電。在蓄電池為抽油機進行供電的過程中太陽能電池板也在為蓄電池充電。但是顯然這個電池板充電的速度是完全跟不上抽油機的耗電速度的。很快蓄電池就會支撐不起抽油機如此巨大的耗電量而達到設置的閾值，這時蓄電池就會自動關閉而繼續采用電網為抽油機供電。

按照這樣的蓄電池充放電和電網的停放電過程，假設抽油機的電機功率采用普通的20kW型號，這樣4塊4m220%轉換效率的電池板至少需要一個星期的時間才能完成蓄電池的電量。于是，在抽油機旁邊設置一定高度的4塊4m2的電池板，然后通過控制器之后為蓄電池充電。在經過將近一個星期后的充電后蓄電池的電量值達到最高閾值，系統自動用蓄電池為抽油機進行供電。當蓄電池的電量下降至最低閾值時電網自動接通為抽油機供電，蓄電池繼續讓電池板進行供電。

這樣一充一放中間長時間的緩沖能夠實現對于太陽能量的更加靈活的應用，不去考慮陰雨天氣和不良日照等不利情況，從而能夠充分利用可再生的太陽能量為抽油機進行供電達到節能的目的。

5 結語

簡單說明了抽油機的節能趨勢和太陽能供電的發展，進而引出太陽能供電系統在油田抽油機上的應用。根據陸梁油田太陽能發電站的建設和效果，總結經驗教訓大膽創新，提出了基于每一臺抽油機的簡單太陽能并網光伏供電系統。系統中應用了蓄電池來緩沖電量，保證對于太陽能量的充分和靈活運用。簡單計算了此工程的供電情況，為太陽能供電系統在抽油機上的應用提供經驗和思路。

參考文獻

[1]張群.變頻控制器在抽油機上的應用[J].儀表電器，2014（1）：57-58.

[2]趙來軍，程發興，苑櫻花.抽油機變頻控制器的應用與技術發展[J].石油機械，2003（10）：65-67.

[3]沈輝.太陽能光伏發電技術[M].北京：化學工業出版社，2005：24-25.

[4]胡仕南.太陽能技術在新疆油田的應用研究[J].油氣田環境保護，2010：35-41.

[5]胡其穎.太陽能熱發電技術的進展與現狀[J].能源技術，2005：56-59.