孤網供電系統在油田生產中的應用

鮑磊　（中國石油大港油田公司采油二廠）

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孤網供電系統在油田生產中的應用

鮑磊（中國石油大港油田公司采油二廠）

無電網覆蓋的偏遠場站在油氣生產中單耗偏高，如何降低能耗，提高綜合效益日趨重要。通過闡述新能源發電系統的設備組成、性能原理，針對油氣生產現場的專業化設計，實現應用。利用新能源發電系統提供生產動力源，替代傳統發電機，取得良好的節能效益。為油氣田偏遠場站降低生產單耗，提升效益，提供了參考。

無電網覆蓋；新能源發電；節能

1　生產現狀

邊遠井站建立孤網供電系統替代柴油（燃氣）發電。油田部分偏遠地區新開發油井，因距離工業電網都相對較遠，一般在5～10 km，鋪設線網成本高，用地審批和協調地方關系復雜，主要采用柴油發電機組供電，發電效率低、能耗高，隨著成品油價的不斷上升，造成運行費用高。據前期調研，目前大港油田采油二廠在用發電機17臺，裝機功率1710 kW，年耗柴油248 t，能耗費用193萬元。依托風力發電、太陽能光伏發電以及儲能蓄電池供電技術建立孤網供電系統替代柴油（燃氣）發電，可有效降低能耗及費用。

張21-1井為單井站點，站內的主要供電設備為有值班房照明、油管伴熱帶、游梁式抽油機，平時主要供電設備為1臺90 kW柴油發電機，日耗柴油220 L，費用近1200元。

根據實測結果，該井各負載的情況如下：值班房單相交流電壓220 V，最大負載電流20 A；油管伴熱帶負載電流7.5～10 A；游梁式抽油機單相最大電流35 A。供電系統優先為值班房和油管伴熱帶供電，供電系統存在負載不平衡工作狀態。

2　建立孤網供電系統

2.1張21-1井離網系統設計

張21-1井系統采用風力發電機、光伏發電系統作為供電設備，2 V單體膠體電池250塊作為儲能設備，臺達工業UPS作為交流負載供電設備，利舊70 kW燃氣發電機為后備電源。

2.2張21-1井孤網供電系統結構

當前離網風發電、光伏發電、柴油發電、蓄儲能電池組發電可分為兩種供電模式：采用工業UPS加風光新能源充電系統組成的微電網系統［1］；采用雙向儲能逆變器加風光新能源充電系統組成的微電網系統。圖1、圖2分別給出采用“工業UPS加新能源”和“雙向儲能逆變器加新能源”的供電系統結構，其中張21-1井供電系統采用圖1所示供電結構。

圖1　工業UPS加風光新能源充電系統

圖2　雙向儲能逆變器加風光新能源充電系統

圖3為張21-1井孤網供電系統供配電簡圖，供電圖中以工業UPS為核心為負載設備供電，風機控制器和光伏控制器負責蓄電池充電管理、最大功率跟蹤等功能。

圖3　張21-1井系統配電接入簡圖

2.3系統容量配置及負荷供應狀況

值班房最大交流電壓220 V交流負荷20 A；管道伴熱帶交流電壓220 V交流負荷7.5～10 A；三相抽油機單相最大電流35 A。

太陽能電池板容量20 000 WP（255WP/塊× 80塊）；風力發電機容量20 kW（1套20 kW風力發電機）；抽油機變頻器37 kW抽油機專用變頻器1臺；臺達工業UPS（HPH-40 kVA）1臺；蓄電池組400 Ah/2V，總計250塊；風光互補控制器容量，30 kW太陽能控制器1臺；30 kW風機控制器1臺；中控及直流配電1臺，交流配電單元1臺。燃氣發電機70 kW，利舊。

根據光伏寶光伏發電量估算軟件，河北滄州黃驊市張巨河地區20 kW光伏系統年發電量約為30 756.24 kWh，平均折合到每日發電量84 kWh。以全國平均1893 h的風電利用小時數，按0.7的內部效率計算20 kW風力發電機的年發電總量為26 502 kWh。20 kW風力發電機折算的平均日發電量72 kWh，考慮負載工作時，蓄電池存在部分充電后發電過程，以及考慮各系統效率，發電系統整體效率按85%計算，則負載可利用的日平均電量為132.6 kWh。

系統內管道伴熱帶為24 h不間斷供電，每日功耗為 39.6 kWh，值班房按滿負荷每日供電8 h計，每日功耗 35.2 kWh。可供抽油機的電量為57.8 kWh。

張21-1井內抽油機驅動電機容量為30 kW永磁同步電動機，抽油機工作平均負載按30%額定容量計，抽油機的平均負載功率為9 kW。即系統內供電設備除滿足值班房日常供電、管道伴熱帶正常供電外，每日還可提供抽油機系統供電6.4 h。

系統配電室內包含抽油機變頻控制柜、交流配電柜、光伏控制柜、風力發電機控制柜、中控&直流配電柜、工業UPS設備以及蓄電池組。

3　系統測試情況

3.1系統內控制器主要參數設置

臺達HPH-40 kVA工業級UPS主要設置參數見表1。中控配電柜主要參數，啟動抽油機的蓄電池電壓上限550 V，關停抽油機蓄電池電壓下限為500 V。太陽能控制器主要參數設置見表2。風力發電機控制器主要參數設置見表3。

表1　臺達HPH-40 kVA工業級UPS主要設置參數

表2　太陽能控制器主要設置參數

表3　風力發電機控制器主要設置參數

3.2蓄電池充電控制器測試結果

以光伏蓄電池充電控制器為例的測試結果，分別如圖4、圖5所示。其中，圖4為控制器不接入蓄電池空載啟動的電壓波形，顯示波形量值為實際電壓的10倍。從圖中可以看到，即使在輸出空載情況下，控制器輸出電壓也被限制在參數設置中的“輸出電壓限值”范圍以內，且僅在啟動瞬間超調過程中出現，超調過后，控制器輸出電壓穩定在所設置的參數“蓄電池浮充電壓”上。圖5為控制器正常輸出時，輸入側電流給定和反饋波形，從圖形中可以看出，控制器輸入側電流始終穩定在給定電流范圍內。圖中電流波形的量值為實際電流波形的10倍。

圖4　控制器不接入蓄電池空載啟動

圖5　輸入側電流給定和反饋波形

4　系統節能效果分析

采用孤網供電系統，自2015年7月7日供電至今。在運行期間，除2015年7月15日幾日由于連續陰雨天，燃氣發電機啟動運行5 h外，其他時間備用發電機均未主動啟動，孤網供電系統完全滿足站內生產及生活需求。

根據歷年發電機能耗情況統計：單獨使用1臺90 kW柴油發電機，日耗柴油220 L，按目前0#柴油5.13元/L費用近1 128.6元。

單獨使用70 kW燃氣發電機，每月耗氣量大約為30 m3壓縮天然氣（CNG），按1 m3壓縮天然氣折合250 m3標準大氣壓下的氣態天然氣計算，張21-1井正常狀態下每月標準氣壓下耗氣量為7500 m3，按工商業用氣（標準大氣壓下）價格3.78元/m3計，張21-1井每月正常水平能源消耗費用為28 350元，考慮到天然氣運輸費用3200元（按每月送氣4次，每次運輸及人工費用800元計，每月天然氣運費3200元），燃氣發電機潤滑和日常維護費用約為燃氣費的10%，日常維護費用2835元。

綜上，張21-1井單獨采用柴油發電機供電，折合每日費用為1 128.6元；單獨采用燃氣發電機供電折合到每日費用1146元。

5　結論

采用孤網供電系統后，張21-1井按月度計算節約的費用為33 858元（燃油）或34 385元（燃氣）。

孤網供電在油氣生產中已經有所使用，但是應用范圍較窄，主要在油氣集輸領域，采用光伏發電，對長輸管線進行中途加溫，沒有直接提供工業動力電。上述孤網供電系統直接采用新能源發電，提供動力電源，不僅能夠滿足抽油機生產需求，還可以滿足場站值班工人生活用電。對油田偏遠、無電網覆蓋的場站的生產，提供了一個無排放、低能耗、高收益的選擇，具有良好的示范效應，節能效果明顯，在無電網覆蓋的地區具備進一步推廣的價值和必要。

［1］邱見青.不間斷電源設備：GB 7260.4—2008［S］.北京：中國標準出版社，2009：9-13.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.008

2016-04-08

（編輯杜麗華）

鮑磊，工程師，2005年畢業于中國地質大學（武漢）（石油工程專業），現從事節能管理工作，E-mail：117261161@qq. com，地址：河北省黃驊市南大港管理區采油二廠油田管理科，061103。