大慶油田抽油機(jī)風(fēng)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)可行性研究

張曉磊（大慶石油管理局有限公司技術(shù)監(jiān)督中心）

大慶油田現(xiàn)有抽油機(jī)井5萬(wàn)多口，其中以游梁式抽油機(jī)居多，機(jī)采井耗電量占整個(gè)采油成本的50%以上。為降低采油成本，目前有上百種節(jié)能措施被廣泛采用，隨著抽油機(jī)節(jié)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(jié)流的方法，而開源的方法將會(huì)帶來(lái)更加顯著的降低成本的效果。其中風(fēng)電互補(bǔ)抽油機(jī)供電系統(tǒng)技術(shù)將是非常具有潛力的項(xiàng)目之一。

1 油田風(fēng)電互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)工作原理

1.1 風(fēng)力發(fā)電動(dòng)機(jī)工作原理及組成

風(fēng)能發(fā)電的原理是利用風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，風(fēng)力機(jī)帶動(dòng)發(fā)電動(dòng)機(jī)再將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｐ⌒惋L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般將發(fā)電動(dòng)機(jī)發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來(lái)需要時(shí)再提供給負(fù)載，并可以通過(guò)整流，逆變裝置將發(fā)電動(dòng)機(jī)輸出電能進(jìn)行交直流變換，適應(yīng)負(fù)載的需要。小型風(fēng)電動(dòng)機(jī)主要由以下幾個(gè)部分組成：風(fēng)力機(jī)，把風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；發(fā)電動(dòng)機(jī)，發(fā)電動(dòng)機(jī)直接與風(fēng)力機(jī)相連，由風(fēng)機(jī)帶動(dòng)向外發(fā)電；電力電子接口，包括功率調(diào)節(jié)器和充放電控制器，位于風(fēng)力發(fā)電動(dòng)機(jī)和負(fù)載之間；蓄電池，它是系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置，將多余的能量存儲(chǔ)起來(lái)，在無(wú)風(fēng)時(shí)釋放能量；逆變器和負(fù)載，逆變器用來(lái)將直流轉(zhuǎn)換為交流，供交流負(fù)載使用[1-3]。

1.2 油田風(fēng)電互補(bǔ)發(fā)電工作原理及特點(diǎn)

油田風(fēng)電互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)采用的是市電與風(fēng)電并網(wǎng)給電的方式，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，三相主電路上的晶閘管被觸發(fā)開始導(dǎo)通，導(dǎo)通角隨與同步轉(zhuǎn)速的接近而增大，發(fā)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的加速度減少；當(dāng)發(fā)電動(dòng)機(jī)達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時(shí)晶閘管完全導(dǎo)通，轉(zhuǎn)速超過(guò)同步轉(zhuǎn)速進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)；1s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(fā)。抽油機(jī)由風(fēng)力發(fā)電動(dòng)機(jī)供電，當(dāng)風(fēng)速不能達(dá)到發(fā)電要求時(shí)，可由市電供電使其運(yùn)行，確保正常的生產(chǎn)[4]。

油田風(fēng)電互補(bǔ)發(fā)電設(shè)計(jì)系統(tǒng)充分考慮了抽油機(jī)電源系統(tǒng)的安全性、可靠性、可維護(hù)性、高效率、系統(tǒng)能量捕獲能力等幾個(gè)方面。

1）系統(tǒng)安全性。抽油機(jī)供電系統(tǒng)的安全性在所有性能指標(biāo)中是最為重要的。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)風(fēng)電互補(bǔ)發(fā)電裝置時(shí)，首先對(duì)安全性進(jìn)行了認(rèn)真的評(píng)估，并把安全理念貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)。例如采用了機(jī)械變槳機(jī)構(gòu)，大大簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)了嚴(yán)格測(cè)試，使系統(tǒng)在極端惡劣的條件下，能夠有效保證系統(tǒng)的安全性。

2）系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)供電的可靠性也是抽油機(jī)重要的指標(biāo)，系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行了嚴(yán)格評(píng)審制度。采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)冗余設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。采用較新的技術(shù)例如采用交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)、多路模塊自動(dòng)均流技術(shù)等。使得系統(tǒng)在某個(gè)分系統(tǒng)產(chǎn)生故障的條件下仍然能夠繼續(xù)工作。通過(guò)風(fēng)電互補(bǔ)，使得系統(tǒng)的供電可靠性達(dá)到最高[5-6]。

3）系統(tǒng)可維護(hù)性。風(fēng)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)多設(shè)置在邊遠(yuǎn)地區(qū)的無(wú)人值守的抽油機(jī)。其可維護(hù)性甚至是免維護(hù)性必須在設(shè)計(jì)過(guò)程中加以重視。系統(tǒng)采取了多項(xiàng)措施提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。系統(tǒng)有集中監(jiān)控單元可以對(duì)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的工作狀態(tài)、部件工況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可以通過(guò)無(wú)線模塊上報(bào)中心控制地點(diǎn)，方便遠(yuǎn)程故障診斷和維護(hù)。同時(shí)系統(tǒng)具有本地故障診斷自啟動(dòng)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(dòng)，在啟動(dòng)過(guò)程中可以有效避免故障范圍的擴(kuò)大。

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

5）系統(tǒng)高能量捕獲能力。為了保證系統(tǒng)向負(fù)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(tǒng)采取了多項(xiàng)措施：采用機(jī)械變槳距技術(shù)，在沒(méi)有自身?yè)p耗的條件下，可以使風(fēng)能率得到提高，并且將切出風(fēng)速加以提高，擴(kuò)大了風(fēng)能利用的范圍；采用升降壓DC-DC變換器能夠?qū)⒉环€(wěn)定的風(fēng)力發(fā)電輸入電壓經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換達(dá)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(fēng)能；采用最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)能的MPPT功能。充分利用自然能。采用無(wú)級(jí)卸荷控制策略，在風(fēng)機(jī)制動(dòng)條件下進(jìn)行持續(xù)發(fā)電控制。

6）系統(tǒng)良好的可擴(kuò)展性。無(wú)論從硬件設(shè)備配置、模塊的選擇還是應(yīng)用軟件的開發(fā)、數(shù)據(jù)傳輸以及系統(tǒng)管理等，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)具有針對(duì)性的采取不同措施，來(lái)保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，能夠提供接口增加系統(tǒng)發(fā)電容量保證技術(shù)的升級(jí)改造。

7）系統(tǒng)高度自動(dòng)化。整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用在可以采用自動(dòng)化方式的情況下盡可能采用自動(dòng)化的方式加以實(shí)現(xiàn)，以減少人工干預(yù)，這樣即可以提高工作效率，同時(shí)又可以提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2 風(fēng)電系統(tǒng)在油田中的應(yīng)用

大慶油田地區(qū)的風(fēng)能資源非常豐富，加上油井附件地勢(shì)開闊，遮蔽物較少，因此有利于小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)大慶油田邊遠(yuǎn)采油廠抽油機(jī)井進(jìn)行實(shí)際考查，采油七廠至十廠抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)額定功率在30kW以下占總量的80%以上，實(shí)際平均輸入功率4.33kW。根據(jù)這一現(xiàn)狀，對(duì)風(fēng)電互補(bǔ)系統(tǒng)拖動(dòng)30kW電動(dòng)機(jī)應(yīng)用效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析。

2.1 耗能設(shè)備電量分析

油田抽油機(jī)用異步電動(dòng)機(jī)額定功率為30kW，實(shí)際輸出平均為4.33kW計(jì)算，按照供電電壓為380V計(jì)算，工作時(shí)間每天24h，則每天的用電量分別為103.92kWh。

大慶市不同地區(qū)年平均風(fēng)速為2.5～4.5m/s，個(gè)別地區(qū)風(fēng)力在7m/s以上，屬風(fēng)速較大區(qū)域，全市全年風(fēng)能可用時(shí)間約4000h。考慮風(fēng)力資源影響及成本問(wèn)題，風(fēng)電互補(bǔ)系統(tǒng)應(yīng)采用比例為：0.8∶0.2。

按照抽油機(jī)每日用電量103.92kWh計(jì)算，風(fēng)力發(fā)電所需提供的電能為83.136kWh，一次電源控制器的轉(zhuǎn)換效率97%，預(yù)計(jì)30m安裝距離左右的線路損耗最高約3%，則需要風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量為88.358kWh，大慶年平均風(fēng)速按3.8m/s，折合有效風(fēng)能利用率約42%（風(fēng)力發(fā)電動(dòng)機(jī)的額定風(fēng)速以9m/s），則每天風(fēng)力發(fā)電動(dòng)機(jī)折合滿功率發(fā)電時(shí)間為10.08h，需要風(fēng)力發(fā)電動(dòng)機(jī)提供的額定發(fā)電功率為8.18kW。為了有效保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，可以適當(dāng)考慮采用多臺(tái)風(fēng)機(jī)組成系統(tǒng)并聯(lián)使用，這樣可以盡可能提高系統(tǒng)可靠性。因此建議采用2臺(tái)5kW風(fēng)力發(fā)電動(dòng)機(jī)與市電互補(bǔ)運(yùn)行。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)合風(fēng)力發(fā)電動(dòng)機(jī)組的情況，選用的風(fēng)力發(fā)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

電動(dòng)機(jī)工作時(shí)間每年按360天計(jì)算，每天工作10.8h，每小時(shí)應(yīng)節(jié)電量約為8.18kWh，則年節(jié)約電量約為31803.84kWh；以目前大慶油田用電收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)0.6381元/kWh進(jìn)行核算，每年可節(jié)省資金約2.03萬(wàn)元；風(fēng)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)以每臺(tái)售價(jià)及按裝成本以9萬(wàn)元（最高價(jià)）計(jì)算，使用壽命期平均為13年，則8年累計(jì)節(jié)約電量1078272kWh；8年累計(jì)節(jié)約資金約68.8萬(wàn)元；預(yù)期投資回收期為3.47年；預(yù)期投資收益41.8萬(wàn)元。

表1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)相關(guān)參數(shù)

3 結(jié)論

1）油田風(fēng)電互補(bǔ)發(fā)電設(shè)計(jì)系統(tǒng)充分考慮了抽油機(jī)電源系統(tǒng)的安全性、可靠性、可維護(hù)性、高效率、系統(tǒng)能量捕獲能力等幾個(gè)方面。

2）為了有效保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，可以適當(dāng)考慮采用多臺(tái)風(fēng)機(jī)組成系統(tǒng)并聯(lián)使用，這樣可以盡可能提高系統(tǒng)可靠性。因此建議采用2臺(tái)5kW風(fēng)力發(fā)電動(dòng)機(jī)與市電互補(bǔ)運(yùn)行。

3）電動(dòng)機(jī)工作時(shí)間每年按360天計(jì)算，每天工作10.8h，每小時(shí)應(yīng)節(jié)電量約為8.18kWh，每年可節(jié)省資金約為2.03萬(wàn)元，投資回收期約為3年。