大慶油田抽油機風電互補供電系統可行性研究

張曉磊（大慶石油管理局有限公司技術監督中心）

大慶油田現有抽油機井5萬多口，其中以游梁式抽油機居多，機采井耗電量占整個采油成本的50%以上。為降低采油成本，目前有上百種節能措施被廣泛采用，隨著抽油機節能降耗潛力逐年被挖掘，要想大幅度的降低采油成本，就不能僅僅考慮節流的方法，而開源的方法將會帶來更加顯著的降低成本的效果。其中風電互補抽油機供電系統技術將是非常具有潛力的項目之一。

1 油田風電互補發電系統工作原理

1.1 風力發電動機工作原理及組成

風能發電的原理是利用風力機將風能轉變為機械能，風力機帶動發電動機再將機械能轉變為電能。小型風力發電系統一般將發電動機發出的電能儲存起來需要時再提供給負載，并可以通過整流，逆變裝置將發電動機輸出電能進行交直流變換，適應負載的需要。小型風電動機主要由以下幾個部分組成：風力機，把風能轉換為機械能；發電動機，發電動機直接與風力機相連，由風機帶動向外發電；電力電子接口，包括功率調節器和充放電控制器，位于風力發電動機和負載之間；蓄電池，它是系統的儲能裝置，將多余的能量存儲起來，在無風時釋放能量；逆變器和負載，逆變器用來將直流轉換為交流，供交流負載使用[1-3]。

1.2 油田風電互補發電工作原理及特點

油田風電互補發電系統采用的是市電與風電并網給電的方式，當轉速接近同步轉速時，三相主電路上的晶閘管被觸發開始導通，導通角隨與同步轉速的接近而增大，發電動機轉速的加速度減少；當發電動機達到同步轉速時晶閘管完全導通，轉速超過同步轉速進入發電狀態；1 s后旁路接觸器閉合，電流被旁路，如一切正常晶閘管停止觸發。抽油機由風力發電動機供電，當風速不能達到發電要求時，可由市電供電使其運行，確保正常的生產[4]。

油田風電互補發電設計系統充分考慮了抽油機電源系統的安全性、可靠性、可維護性、高效率、系統能量捕獲能力等幾個方面。

1）系統安全性。抽油機供電系統的安全性在所有性能指標中是最為重要的。系統在設計風電互補發電裝置時，首先對安全性進行了認真的評估，并把安全理念貫穿整個設計。例如采用了機械變槳機構，大大簡化了機械結構設計，通過了嚴格測試，使系統在極端惡劣的條件下，能夠有效保證系統的安全性。

2）系統可靠性。系統供電的可靠性也是抽油機重要的指標，系統可靠性設計從硬件和軟件兩個方面進行了嚴格評審制度。采用模塊化設計，通過冗余設計，提高了系統的可靠性。采用較新的技術例如采用交錯并聯技術、多路模塊自動均流技術等。使得系統在某個分系統產生故障的條件下仍然能夠繼續工作。通過風電互補，使得系統的供電可靠性達到最高[5-6]。

3）系統可維護性。風電互補供電系統多設置在邊遠地區的無人值守的抽油機。其可維護性甚至是免維護性必須在設計過程中加以重視。系統采取了多項措施提高系統的可維護性。系統有集中監控單元可以對整個發電系統的工作狀態、部件工況等進行實時監控，并可以通過無線模塊上報中心控制地點，方便遠程故障診斷和維護。同時系統具有本地故障診斷自啟動功能，在故障條件排除后能夠按照一定的邏輯程序重新啟動，在啟動過程中可以有效避免故障范圍的擴大。

4）系統運行高效率。由于一次能源的不確定性和有限性，系統的工作效率必須受到重視，系統采用IGBT功率模塊，采用PWM控制模式，降低了系統自身的能量消耗。

5）系統高能量捕獲能力。為了保證系統向負載供電的可用性，較高的能量捕獲能力是唯一可行的措施。為此系統采取了多項措施：采用機械變槳距技術，在沒有自身損耗的條件下，可以使風能率得到提高，并且將切出風速加以提高，擴大了風能利用的范圍；采用升降壓DC-DC變換器能夠將不穩定的風力發電輸入電壓經過轉換達到要求的供電直流電壓范圍，從而最大限度地利用有限的風能；采用最大功率點追蹤技術能夠實現風能的MPPT功能。充分利用自然能。采用無級卸荷控制策略，在風機制動條件下進行持續發電控制。

6）系統良好的可擴展性。無論從硬件設備配置、模塊的選擇還是應用軟件的開發、數據傳輸以及系統管理等，系統設計時具有針對性的采取不同措施，來保證系統的可擴展性，能夠提供接口增加系統發電容量保證技術的升級改造。

7）系統高度自動化。整個系統的應用在可以采用自動化方式的情況下盡可能采用自動化的方式加以實現，以減少人工干預，這樣即可以提高工作效率，同時又可以提高系統的安全性和可靠性。

2 風電系統在油田中的應用

大慶油田地區的風能資源非常豐富，加上油井附件地勢開闊，遮蔽物較少，因此有利于小型風力發電系統的應用，通過對大慶油田邊遠采油廠抽油機井進行實際考查，采油七廠至十廠抽油機電動機額定功率在30 kW以下占總量的80%以上，實際平均輸入功率4.33 kW。根據這一現狀，對風電互補系統拖動30 kW電動機應用效果進行現場應用分析。

2.1 耗能設備電量分析

油田抽油機用異步電動機額定功率為30 kW，實際輸出平均為4.33 kW計算，按照供電電壓為380 V計算，工作時間每天24 h，則每天的用電量分別為103.92 kWh。

大慶市不同地區年平均風速為2.5～4.5 m/s，個別地區風力在7 m/s以上，屬風速較大區域，全市全年風能可用時間約4 000 h。考慮風力資源影響及成本問題，風電互補系統應采用比例為：0.8∶0.2。

按照抽油機每日用電量103.92 kWh計算，風力發電所需提供的電能為83.136 kWh，一次電源控制器的轉換效率97%，預計30 m安裝距離左右的線路損耗最高約3%，則需要風力發電系統的發電量為88.358 kWh，大慶年平均風速按3.8 m/s，折合有效風能利用率約42%（風力發電動機的額定風速以9 m/s），則每天風力發電動機折合滿功率發電時間為10.08 h，需要風力發電動機提供的額定發電功率為8.18 kW。為了有效保證系統的正常運行，可以適當考慮采用多臺風機組成系統并聯使用，這樣可以盡可能提高系統可靠性。因此建議采用2臺5 kW風力發電動機與市電互補運行。

根據以上計算結合風力發電動機組的情況，選用的風力發電動機的參數見表1。

2.2 經濟效益分析

電動機工作時間每年按360天計算，每天工作10.8 h，每小時應節電量約為8.18 kWh，則年節約電量約為31 803.84 kWh；以目前大慶油田用電收費標準0.638 1元/kWh進行核算，每年可節省資金約2.03萬元；風電互補供電系統以每臺售價及按裝成本以9萬元（最高價）計算，使用壽命期平均為13年，則8年累計節約電量1 078 272 kWh；8年累計節約資金約68.8萬元；預期投資回收期為3.47年；預期投資收益41.8萬元。

表1 風力發電機相關參數

3 結論

1）油田風電互補發電設計系統充分考慮了抽油機電源系統的安全性、可靠性、可維護性、高效率、系統能量捕獲能力等幾個方面。

2）為了有效保證系統的正常運行，可以適當考慮采用多臺風機組成系統并聯使用，這樣可以盡可能提高系統可靠性。因此建議采用2臺5 kW風力發電動機與市電互補運行。

3）電動機工作時間每年按360天計算，每天工作10.8 h，每小時應節電量約為8.18 kWh，每年可節省資金約為2.03萬元，投資回收期約為3年。